随着汽车朝向电气化和智能化快速演进，汽车电子产品在整车中的“地位”也在不断提升。根据中商产业研究院的分析数据，2020年汽车电子的整车成本占比为34.32%，到2030年将有望达到49.55%。
以车载收音机为代表，初代的汽车电子产品，其定位仅是为用户提供一些比较“边缘”化的功能体验；如今，汽车电子在推动汽车发展的过程中，则处在“核心”位置。有研究表明，当今70%以上的汽车创新都源自于汽车电子。从汽车行业市场营销的话术中，我们也能体会到，传统汽车技术平台中发动机、变速箱等这些“老明星”，正在让位于电机、电池、电控、自动驾驶、车联网等汽车电子驱动下的“新势力”。
不难发现，在这种趋势下，推动汽车发展的底层技术也在发生变化——电子元器件在整车技术生态中的影响力在不断提升，即使是电子系统中那些“不起眼”的无源元件，也会在攻克汽车电子设计难题时，扮演至关重要的角色。
本文中，我们就将以TDK的几款车规级元件为例，与大家一起探究，这些“小元件”如何通过创新的设计和出众的性能，应对汽车电子设计中的“大挑战”。
挑战一：提升电源效率
汽车电气化的转型以及电子设备的增加，势必要求以更大的功率提供充足的电力。而想要实现在更高负载下以更高的效率提供更稳定的电能，汽车电源系统从12V向48V升级，是一个重要的趋势。
与传统的12V系统相比，48V系统一方面有利于承载更高的功率，另一方面由于电流消耗更低，可以使用更细更轻的线缆，从而有利于减轻供电线缆的重量，提升整车能源利用的效率和续航里程。
不过，考虑到很多车载电子设备依然采用12V电压供电，因此在构建48V系统时仍需要考虑到对12V应用的支持。这时，如果不想再为此配置一块12V的电池，那就需要在设计时采用混合DC/DC转换器，以48V电池作为主电源，同时降低电压为12V设备供电。由于只需使用单一电池电源，因此混合DC/DC转换器提供了一种高效率、省空间的解决方案。
不过，混合DC/DC转换器仍面临着一些设计挑战：首先，虽然无需12V电池，但系统电路的复杂性随之增加，这会带来额外的成本；其次，电压转换后输出电压的纹波会降低电源效率；再有，车载应用有限的空间还会对系统设计的小型化提出更高的要求。想要有效应对这些挑战，就需要从基础元器件优化设计上做文章。
图1：ERUC23系列耦合电感器
（图源：TDK）
为了满足汽车48V电源系统中高效率、小型化混合DC/DC转换器的设计要求，EPCOS / TDK推出了ERUC23系列耦合电感器，其将两个绕组集成到一个组件中，即两个线圈共用一个磁芯，具有电感耦合的优势，同时令外形更为紧凑——与单个电感器相比，ERUC23系列耦合电感器的封装空间减小了近78%。
图2：ERUC23系列耦合电感器小型化优势明显
（图源：TDK）
ERUC23系列还采用了低损耗铁氧体磁芯材料、优化的耦合线圈结构、扁线绕组和自引线设计，这确保了其高饱和电流高效率和高可靠性。同时，ERUC23系列还具有低直流电阻，通过电感的耦合特性实现了更低的纹波电流，进一步提升了效率表现。
总之，ERUC23系列耦合电感器通过创新的设计，在更小的封装中减少了纹波和磁芯损耗，助力整体系统效率的提升，进而有助于消除热损耗及其导致的元器件老化，延长使用寿命。ERUC23系列符合AEC-Q200车规，有-40°C至+150°C极宽的工作温度范围，无疑是混合DC/DC转换及其他汽车电压转换拓扑的理想选择。
挑战二：提高可靠性
汽车电子产品的应用环境特殊，因此需要更高的可靠性，确保其长期稳定地工作。这样的设计要求传递到元件上，使得不少在其他行业中如鱼得水的产品，未必能够在汽车电子应用中游刃有余。因此，针对汽车应用进行元器件的改良和优化，势在必行。
以在电源系统中广泛应用的铝电解电容器为例，其根据电解质的种类，通常被分为“液态”和“固态”两种类型。其中，液态铝电解电容器具有容量大、耐压高、漏电流低的优势；但受液态电解质特性的影响，其高温寿命较短，且由于需要采用特殊的密封罐型封装，元件体积也较大。
为了克服液态铝电解电容器的性能“短板”，人们设计出了采用导电聚合物作为电解质的固态铝电解质电容器，其可以实现低ESR、稳定的温度特性、更高的安全性以及更长寿命，在高可靠性上无疑更胜一筹；不过，这种全固态的结构也决定了其在电容量、耐压、漏电流等性能上无法达与液态电容器比肩。
当我们聚焦到汽车电子应用中，会发现传统的液态和固态两种铝电解电容虽各有千秋，但都不是我们想要的兼具高性能和高可靠性的理想解决方案。这时，一种能够结合液态和固态两种电容器优点的混合聚合物铝电解电容器就应运而生了。
所谓“混合”就是指这种电容器在电解质中融合了导电聚合物和电解液，这使其一方面可以通过电解液修复铝氧化膜的作用，改善耐压低、漏电流相对较高的问题；另一方面也同样具备与固态电容器相似的低ESR的特点，可以支持较高的纹波电流，并具有很长的高温寿命。而上述这些高耐压、低漏电流、低ESR、高可靠、长寿命等优点，正是汽车电子应用所需要的。
昵称 | 混合电容 | 固态电容 | 液态电容 |
电解质 | 导电聚合物 +电解液 | 导电聚合物 | 电解液 |
容量 | 中 | 小 | 大 |
耐压 | 中 | 低 | 高 |
ESR | 低 | 低 | 高 |
纹波电流 | 大 | 大 | 小 |
漏电流 | 低 | 高 | 低 |
高温寿命 | 长 | 长 | 短 |
表1：混合、固态、液态铝电解电容器的性能比较
TDK为适应汽车电子高可靠性的设计要求，开发出了丰富的混合聚合物铝电解电容器产品组合，包括轴向和贴片两种封装类型，它们具有56μF至2200μF的电容值，在工作温度范围内都具有大纹波电流和低ESR，以及长使用寿命的特性，且符合AEC-Q200车规标准。
图3：TDK混合聚合物铝电解电容器
（图源：TDK）
其中，轴向型产品（如B40600、B40700、B40640和B40740等系列）采用轴向引线型设计或轴向焊接星型设计，它们均为紧贴散热器做出了内部机械结构的优化，故可实现与散热器之间长期可靠的连接，从而保证良好的散热。这些混合电容器提供高至80V的耐压，工作温度范围从-55°C到150°C，在125°C下额定使用寿命为4,000小时，在20°C环境温度下的ESR值仅为3.5mΩ。
贴片型的产品系列外形更为紧凑，有25V，35V和63V耐压可选，工作温度高达125°C，使用寿命至少为4,000小时。其ESR≤20mΩ，在125°C和100kHz条件下具有4.6A的大纹波电流能力。
凭借上述这些特性，TDK的混合聚合物铝电解电容器可适用于广泛的汽车功率电子领域，比如48V车载电源的双向变换器、混合传动系统中的电机逆变器、电动动力转向系统，以及开关电源上的输出滤波，成为这些高性能、高可靠性设计的不二之选。
挑战三：EMI降噪
当越来越多的电子设备被部署到空间有限的汽车中，抑制EMI噪声干扰也成为了一大挑战。这时，就需要用到EMI抑制电容器，也就是所谓的安规电容。
EMI抑制电容器主要有两个作用：一是消除电源线路中的噪声，对共模、差模干扰起滤波作用；二是满足安全规范要求，即使在电容器失效后，也不会导致电击、燃烧等危害，不危及人身安全。
具体到汽车电子应用中，其对EMI抑制电容器的选型有着更高的标准：
首先，电容器在关键性能上要达到相应的安规标准要求，如额定电压和峰值脉冲电压等。
其次，也是特别重要的一点，电容器必须有更强的恶劣环境的耐受能力，以满足汽车应用环境的要求。为此，想要“上车”的电容器需要经过严苛的可靠性测试，比如根据IEC 60384-14.4标准的高温高湿偏置（THB）试验。
此外，由于要在有限的电路板空间内支持更高的功率要求，还需要EMI抑制电容器在外形上更为紧凑。
综合上述的设计要求，在众多电容器类型中，金属化聚丙烯薄膜（MKP）电容器无疑是更为理想的选择——其在不同温度、频率，以及长时间范围内，具有非常稳定的性能；特别是其金属化的电极具有自愈功能，在有小的损坏时，能够自动修复，使用寿命可达10万小时以上。因此如今在新能源汽车上，金属化聚丙烯薄膜电容器的应用场景越来越多。
EPCOS/TDK的B3292xM3/N3系列X2 EMI抑制电容器，就是为满足这样的市场需求而打造的产品。其电容值为0.1μF至4.7μF，额定交流电压为305V，工作温度低于85℃时，连续直流电压可达630V，由于采用了具有自愈性的金属化聚丙烯膜（MKP），可确保长期可靠性。
相比于前代产品，B3292xM3/N3系列体积减小了20%，在空间受限的车载应用中也能游刃有余。
该EMI抑制电容器通过了严格的THB实验——在+85°C温度、85%相对湿度和额定交流电压下分别进行了为期1000小时（引线间距≥22.5mm）或500小时（引线间距为15mm）的运行试验，可确保满足Grade III Test B标准。
B3292xM3/N3系列满足AEC-Q200的要求，其更紧凑的尺寸与增强的耐用性，非常适合于各类多空间狭小和高湿度环境的汽车应用。
图4：B3292xM3/N3系列X2 EMI抑制电容器
（图源：TDK）
本文小结
展望汽车行业的未来，畅想智慧出行的种种奇妙体验，是一件令人兴奋的事情。不过每一位汽车电子的开发者都深知，通往这个美好新世界的道路，并非坦途，其中有很多技术障碍需要去克服。
应对这些挑战，需要通过优化和创新，夯实每一块技术基石，也包括电容器、电感器这些“微小”的元件。
来源：贸泽电子
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