防振电容器技术

我们中的许多人都观察到过设备受过度振动的影响，从异常磨损和固定松动再到器件受损，不一而足。可以通过传统方法使机械设备不受振动的干扰，例如使用额外的固定装置将器件锁定，或者使用防振装置隔离敏感区域。但是，在电子设备中，可能会存在成千上万个易损小器件。如今，汽车已成为相对受冲击和振动恶劣环境的典范，我们在其中安装各种电子产品，从大功率的电机控制到自动驾驶辅助系统再到信息娱乐设备。最新的驱动系统甚至在轮毂中安装复杂的电子设备，这些都是最受机械“环境压力”影响的恶劣环境。

在车辆和许多其他消费产品中，电子设备通常对安全而言至关重要，因此必须具有高度的可靠性，但同时也要尽可能的降低成本。但是，要获得抗振动损坏能力，传统的“过度工程化”航空航天似的方法是则不可行的，必须找到能使大量生产的器件都符合相关规格的解决方案。

制定标准

要验证是否已充分保护器件免受振动的影响，我们必须首先为自己设定可接受的标准。这是一项艰巨的任务，因为振动本质上通常是随机的，并且会随条件和时间而变化。在某些环境中，例如在工业中，振动影响通常来自旋转的机械，并可在一定程度上进行量化，但是在其他领域（例如汽车），则受到牵引系统和路面等多种来源的影响。汽车OEM原始设备制造商在标准化粗糙表面的测试轨道上具有详尽的测试制度，但是人们期望电子子系统及其组件已经受过评估，并被证明不受某些标准的影响。根据定义，随机振动无法标准化，因此一种常见的技术是应用正弦激励，并在监视的频率范围内进行扫频，以寻找器件的机械共振。然后将振动输入设置在这些频率上，并停留一段时间，以确定是否会发生故障。连续的正弦扫频振动激励也是“扫描（证明）耐久性”概念的基础。 IEC 60068-2-6: 2008是正弦振动测试方法的标准，它还提供了一些建议的测试级别和持续时间。

振动测试等级

纯正弦振动的强度可以用数学上相关的三种方式表示：最大振幅或位移、最大速度和最大加速度。图1显示了归一化为1Hz的量之间的关系，这源于，速度是位移随时间的变化率，而加速度是速度随时间的变化率。

图1：正弦曲线的位移、速度和加速度之间的关系

正弦波过零时会出现最大速度，而最大加速度则在波形的峰值处。请记住，正弦的微分是余弦，即90度相移，再进一步的微分是再90度的相移，这有助于形象化。图1中的三个图形是等效的，因此任一图形都可以用来定义特定频率下的振动强度，并且可以方便地引用恒定量、加速度作为规格。但是，对于恒定加速度，位移会随着频率的降低而增加，并且在某个点上对于测试设备的维持来说是不切实际的，因此，常见的规范是要求恒定位移振动达到指定的“交叉”频率，然后再从那恒定加速到最大频率。

IEC 60068-2-6: 2008主要涉及术语的定义和方法，但确实提供了一些建议的测试条件。例如，扫描速率被指定为指数， 一个八度，或者每分钟频率加倍，公差为+/- 10％。范围内的更低频率应从任意设定值中选择；0.1、1、5、10、55或100Hz，上限频率应从10、20、35、55、100、150、200、300、500、1000、2000或5000 Hz中选择。标准中的表格显示了测试持续时间，典型情况是10Hz至5,000Hz扫描，重复100次，耗时约30小时。至10Hz，通常会指定恒定的位移幅度，而高于10Hz则是恒定的加速度。但是，如果在该频率上要求的幅度超出测试设备的能力，则可能需要更高的交叉频率。在发现共振的地方，标准建议的停留时间为10分钟、30分钟、90分钟或1小时。

IEC 60068-2-6: 2008没有规定确切的振动强度等级和扫描周期数，但给出了如表1所示的标准示例。交叉频率设置为58Hz至62Hz。低于交叉频率时使用振幅或位移规格，高于时则使用加速度。加速度以m/s2表示，将其转换为“ g”除以10得到一个近似值。

表 1: 符合 IEC 60068-2-6: 2008的应用类别的振动强度和扫描周期数范例

电容器需要防振
在所有常见的电子器件中，电容器通常最容易受到振动的损坏，特别是高值电解类型，电容器可以高而小直径，以减小占位面积。典型的通孔引线类型具有相对较差的性能，通常在10到55Hz的扫频范围内，最大额定值为10g 或约100m/s2，峰到峰位移为1.5mm。尽管这对于非关键的商用设备是可以接受的，但其他应用（例如公路车辆、建筑设备和农业机械）通常则需要更高的额定值。

松下已在其FK、FKS、FP、FN、FT、TC、TCU、TP和TQ系列的表面贴装铝电解电容器，以及ZA、ZC、ZE、ZK、ZKU和ZS系列的导电聚合物混合铝电解电容器中，找到了解决此问题的方法。这些系列的零部件可具有高振动能力，包括更厚的内部连接、塑料基板的高“壁”和带有辅助触点的更多支撑端子。

图2：松下抗振SMD电容器

耐振动类型能够承受294m/s2 (30g) 的冲击，并且在5到2000Hz的振动激励下具有5mm的峰到峰位移，显著提高了其性能。分别在X、Y和Z轴上进行了两个小时的测试，没有出现故障。这些零部件的高振动规范得到了汽车AEC-Q200兼容性和高耐用性的完善，根据系列的不同，通常在105°C时为10,000小时，在125°C时为4000小时，在145°C时为2000小时。
 
导电聚合物混合铝技术完善了高振动规格

在使用高µF数值的应用中，零部件的物理尺寸很大，通常会并联很多器件，因此，电容器遭受振动损坏的风险最大。例如，逆变器或电机控制器中的直流母线连接或大功率AC-DC和DC-DC转换器中的输出滤波器。然而，在这些应用中，特别是在高开关频率下，电容值本身通常不是关键参数，只要它高于大容量储能的最小值即可。更重要的是器件的等效串联电阻（ESR）和随之产生的纹波电流处理能力。通过电容器ESR的高频纹波电流会产生纹波电压，这通常对转换器的性能至关重要。

“标准”电解电容器可以具有良好的ESR和纹波电流额定值，但松下导电聚合物混合铝类型可以为小尺寸提供更好的额定值，并具有更好的纹波电压性能。例如，在12V直流母线应用中，如果规范要求最低1500µF，总ESR为3毫欧和11 安的纹波电流，则可以使用四个Φ16mm x 25mm的标准电解电容器或者三个松下ZS系列导电聚合物混合型Φ10mm x 16.5mm来实现，仅为体积的20％，重量仅为其一小部分（图3）。松下的防震功能以及减小的高度、体积和重量，极大地提高了防震性能。

图3：案例研究，使用标准和导电聚合物电容器的直流母线应用

结论

耐振动性至关重要的应用，正越来越普遍，为此，松下公司提供电容器防振器件。加速度和位移的规格通常可以满足最苛刻的要求，而松下的导电聚合物混合铝技术可以生产出更小更轻的器件。与标准的电解类型相比，该技术还具有更好的稳定性、使用寿命、可靠性、安全性和生命周期成本。