Zuverlässige Automobilsysteme durch sorgfältige Auswahl und Verwendung passiver Komponenten

Die Nachfrage nach Automobilelektronik wächst in einer Reihe von Anwendungen, darunter elektronische Steuergeräte unter der Motorhaube, Infotainmentsysteme, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und mehr. Elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen sind auf eine Reihe von Hochleistungskomponenten angewiesen, um eine zuverlässige und robuste Performance zu gewährleisten. Dazu gehören Kondensatoren zur Filterung und Energiespeicherung, Varistoren zum Schutz der Schaltkreise, Steckverbinder für kompakte Steuergeräte sowie passive HF- und Mikrowellenkomponenten und Antennen für die Vernetzung.

Je nach Platzierung im Fahrzeug können die Anforderungen an Temperatur, Stöße und Vibrationen, Feuchtigkeit, transiente Spannungen, elektrostatische Entladung (ESD) und andere Umweltfaktoren variieren. In allen Fällen werden passive Komponenten benötigt, die den Anforderungen von AEC-Q200 entsprechen.

Entwickler müssen sorgfältig aus einer Reihe von Komponenten auswählen, um die Herausforderungen der Automobilelektronik im Allgemeinen und die Leistungsstandards der AEC-Q200 im Besonderen zuverlässig zu erfüllen. Dies kann schwierig und zeitaufwändig sein, je nach Anzahl und Vielfalt der beteiligten Komponenten.

Um sicherzustellen, dass sie die Herausforderungen fortschrittlicher elektronischer Systeme im Automobil erfüllen und gleichzeitig die Zeit bis zur Markteinführung minimieren, können die Entwickler eine einzige bewährte Quelle mit einer großen Auswahl an Komponenten nutzen, die bereits für die Automobilindustrie qualifiziert sind. Dazu gehören Kondensatoren, Schaltungsschutzkomponenten, Steckverbinder sowie passive HF- und Mikrowellenkomponenten und Antennen.

Dieser Artikel vergleicht kurz einige Betriebseigenschaften verschiedener Kondensatortechnologien, die Entwicklern zur Verfügung stehen, und ihre Anwendungseignung, einschließlich beispielhafter Bauelemente von Kyocera AVX. Anschließend werden Beispiele für Schaltungsschutzkomponenten, Steckverbinder, passive HF- und Mikrowellenkomponenten sowie Antennen für den Einsatz in Kraftfahrzeugen vorgestellt.

Kondensatoren für die Automobilelektronik

Für allgemeine Anwendungsanforderungen wie 10 Volt (V) oder weniger und Kapazitäten bis zu 100 Mikrofarad (µF) überschneiden sich mehrere Kondensatortechnologien hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit erheblich (Abbildung 1). Das heißt aber nicht, dass sie für jede Anwendung gleich gut geeignet sind. Es sind die Feinheiten ihrer Leistungsfähigkeiten, die Entwickler bei der Auswahl berücksichtigen müssen. Zu den wichtigen Aspekten gehören Kapazitätsänderungen mit der angelegten Spannung (Spannungskoeffizient), Kapazitätsänderungen mit der Temperatur (Temperaturkoeffizient) und Änderungen des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) mit der Frequenz (Impedanzkurve).

Abbildung 1: Verschiedene Kondensatortechnologien ähneln sich in Bezug auf Spannung und Kapazitätswerte. (Bildquelle: Kyocera AVX)

Mehrschichtkeramikkondensatoren (MLCCs) mit hohem Kapazitäts-Spannungs-Wert (CV) können viel Kapazität in ein kleines Gehäuse packen. Einige Tantal- und Tantalpolymerkondensatoren bieten den gleichen Footprint wie MLCCs mit hohem CV. Nioboxid-Kondensatoren haben eine etwas geringere volumetrische Kapazität. MLCCs mit hohem CV sind mit zwei verschiedenen Dielektrika erhältlich:

• Das X5R-Dielektrikum ermöglicht die höchsten Kapazitätswerte, bis zu 100 µF, in MLCCs mit hohem CV
• X7R MLCCs sind in der Regel auf ein Maximum von etwa 22 µF begrenzt, bieten aber eine bessere Temperaturstabilität

Der X7R-MLCC 12103C106K4T4A ist zum Beispiel für 10 µF und 25 Volt ausgelegt. Er hat eine nichtlineare Temperaturschwankung der Kapazität innerhalb von ±15% von -55 bis +125°C. Die Kapazität der X7Rs variiert ebenfalls mit der Spannung und der Frequenz. X7R-dielektrische MLCCs eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen bekannte Kapazitätsänderungen aufgrund von angelegten Spannungen akzeptabel sind.

Spannungs- und Temperaturkoeffizienten

Obwohl sie relativ stabil sind, nimmt die Kapazität von MLCCs mit hohem CV ab, wenn die Vorspannung in Richtung der Nennspannung (RV) steigt. Tantal-, Nioboxid- und Polymerkondensatoren haben flache Spannungskoeffizienten. Darüber hinaus nimmt die Kapazität von MLCCs mit hohem CV bei hohen und niedrigen Temperaturen ab, während Tantal-, Nioboxid- und Polymerkondensatoren minimale Temperaturkoeffizienten aufweisen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Tantalkondensatoren haben im Vergleich zu MLCCs einen flachen Spannungskoeffizienten (linke beiden Diagramme) und einen minimalen Temperaturkoeffizienten (rechtes Diagramm). (Bildquelle: Kyocera AVX)

ESR vs. Frequenz

Auch Impedanzkurven können wichtig sein. MLCCs mit hohem CV haben eine scharfe Resonanz und einen niedrigen ESR, während Tantal- und Nioboxidkondensatoren breitbandige Impedanzkurven aufweisen (Abbildung 3). Die ESRs von Tantal- und Nioboxid-Bauelementen steigen bei niedrigen Temperaturen an. Polymerkondensatoren haben eine breitbandige Impedanzcharakteristik und einen niedrigeren ESR als Tantal und Nioboxid. Außerdem bleibt der ESR von Polymerbauelementen bei niedrigen Temperaturen niedrig, während der ESR von Tantal- und Nioboxidkondensatoren ansteigt.

Abbildung 3: Tantalkondensatoren haben eine breitbandige Impedanzkurve (orange), während MLCCs mit hohem CV einen niedrigeren ESR aufweisen (blau). (Bildquelle: Kyocera AVX)

Tantalkondensatoren für ECUs

Für die Entwicklung von Kfz-Steuergeräten können die AEC-Q200-konformen Tantalkondensatoren der Serie F97 von Kyocera AVX verwendet werden, die mit Nennspannungen von 6,3 bis 35 Volt, einem Betriebstemperaturbereich von -55 bis 125°C und Kapazitäten von bis zu 150 µF erhältlich sind. Der F971A107MCC ist zum Beispiel für 100 µF und 10 Volt ausgelegt.

Polymerkondensatoren für die Karosserieelektronik

Polymerkondensatoren haben wie Tantal einen Betriebstemperaturbereich von -55 bis +125°C, aber Polymere sind mit einer Spannungsfestigkeit von bis zu 50 Volt erhältlich, verglichen mit 35 Volt bei Tantalbauelementen. Die AEC-Q200-qualifizierten Polymerkondensatoren der TCQ-Serie bieten Kapazitäten von bis zu 470 μF und eine Nennlebensdauer von 2000 Stunden bei 125°C, was der doppelten Anforderung der AEC-Q200-Spezifikation entspricht. Zu den Automobilanwendungen für diese Kondensatoren gehören Karosserieelektronik, Infotainment, Kabinensteuerungen und Komfortsysteme, die von Bauelementen wie dem TCQD337M004R0025E mit einem Nennwert von 330 µF bei 4 Volt profitieren können.

Nioboxid für Systeme in der Kabine

Nioboxidkondensatoren wie die OxiCap-Serie NOJ haben Kapazitätswerte von bis zu 1000 μF bei Spannungen von bis zu 10 Volt. Diese Kondensatoren sind für den Einsatz in Anwendungen mit Betriebsspannungen bis zu 7 Volt ausgelegt, wie z. B. Sitzpositionsmodule, Airbag-Steuerungen und Infotainment-Systeme. Sie haben einen Betriebstemperaturbereich von -55 bis +105°C. Der NOJC107M004RWJ ist zum Beispiel für 100 µF und 4 Volt ausgelegt. Nioboxid ist eine inhärent sichere Technologie mit einer hohen Widerstandsfähigkeit und einem nicht brennenden Ausfallmodus. Mit einer Ausfallrate von 0,5 % pro 1000 Betriebsstunden bei 85 °C sind sie zudem äußerst zuverlässig.

Hochspannungs-MLCCs

Zusätzlich zu Ausführungen mit hohem CV sind MLCCs mit Nennspannungen von bis zu 5000 Volt erhältlich. Der AEC-Q200-qualifizierte 1825CC154KAT2A von Kyocera AVX mit einer Kapazität von 0,15 µF bei 630 Volt ist für den Einsatz in Entstörgliedern und Resonatoren in Hochfrequenz-Automobilstromrichtern sowie für die Hochspannungskopplung oder Gleichstromsperrung konzipiert. Diese Hochspannungschips haben einen niedrigen ESR-Wert bei hohen Frequenzen.

Superkondensatoren

Superkondensatoren werden in Kfz-Systemen als Reservestromversorgung, zur Verlängerung der Batterielebensdauer und zur Bereitstellung sofortiger Stromimpulse eingesetzt. Die SCC-Serie von AVX ist mit Kapazitäten von 1 bis 3000 Farad (F) in Komponenten für 2,7 Volt und 3,0 Volt Nennspannung erhältlich. Der SCCV40E506SRB ist für 50 F und 3 Volt ausgelegt und hat einen maximalen ESR von 20 Milliohm (mΩ) (Abbildung 4). Die Acetonitril(ACN)-Elektrolyt-Technologie sorgt für einen niedrigen ESR-Wert. Pro 10°C oder 0,2 Volt Leistungsminderung verdoppelt sich die erwartete Lebensdauer von ACN-Komponenten, wodurch sie sich für langlebige Anwendungen eignen. Es sind speziell optimierte Bauteile der SCC-LE-Serie erhältlich, die einen noch niedrigeren ESR aufweisen.

Abbildung 4: Superkondensatoren wie der SCCV40E506SRB können eine Reservestromversorgung bieten, die Lebensdauer von Batterien verlängern oder sofortige Stromimpulse liefern. (Bildquelle: Kyocera AVX)

ESD-Schutz

ESD-Schutz ist in den meisten Kfz-Systemen erforderlich. Die TransGuard-Mehrschichtvaristoren von Kyocera AVX mit niedriger Klemmung sind AEC-Q200-qualifiziert und wurden für den Einsatz in Bereichen entwickelt, in denen ein niedrigeres Verhältnis von Klemm- zu Arbeitsspannung erforderlich ist. Sie bieten einen bidirektionalen ESD-Überspannungsschutz sowie eine Dämpfung elektromagnetischer und hochfrequenter Störungen (EMI/RFI) in einem einzigen Bauteil für Anwendungen wie Steuergeräte, Infotainmentsysteme und Displays in der Kabine. Der VLAS080516C350RP hat eine Arbeitsspannung von 16 Volt Gleichstrom (V_DC) oder 11 Volt Wechselstrom (VAC), eine Durchbruchspannung von 19,5 Volt +12% und eine Klemmspannung von 35 Volt bei einer Kapazität von 900 Picofarad (pF) (Abbildung 5).

Abbildung 5: Der VLAS080516C350RP ist ein Mehrschichtvaristor mit geringer Klemmung, der bidirektionalen ESD-Schutz und EMI/RFI-Dämpfung bietet. (Bildquelle: Kyocera AVX)

Die AEC-Q200-qualifizierten ASPGuard-Bauelemente von Kyocera AVX mit geringer Kapazität sind für Anwendungen wie HF-Systeme, Sensoren, Highspeed-Datenleitungen und andere Bereiche konzipiert, in denen kapazitätsempfindliche Schaltungen vor hoher Energie geschützt werden müssen. ASPGuard-ESD-Schutzkomponenten haben einen geringen Leckstrom sowie einen Betriebstemperaturbereich von -55 bis +150°C und Arbeitsspannungen von 18 bis 70 V_DC. Der VCAS04AP701R5YATWA ist zum Beispiel für 70 V_DC mit einer Kapazität von 1,55 ±0,13 pF und einem Leckstrom von 0,1 Mikroampere (μA) ausgelegt.

Kartenrandsteckverbinder for ECUs

Hochkompakte Steuergeräte für Kraftfahrzeuge erfordern ebenfalls hochkompakte Verbindungslösungen wie den in Abbildung 6 gezeigten 12-poligen Kartenrand-Steckverbinder 009159012651916. Die zweireihige Steckverbinderserie 9159-650 ist mit 4 bis 12 Positionen erhältlich und verfügt über versetzte Kontaktreihen, die doppelt so viele Positionen ermöglichen wie ein einreihiges Design ähnlicher Größe. Diese Kartenrandstecker sind mit und ohne Polarisierung erhältlich. Bei polarisierten Steckverbindern muss die Leiterplatte eine Aussparung enthalten, um ein falsches Einstecken zu verhindern. Diese Steckverbinder sind für die Verwendung mit 1,6 Millimeter (mm) dicken Leiterplatten ausgelegt. Sie haben vergoldete Kontakte und bieten, wenn sie mit vergoldeten Kontaktflächen auf der Leiterplatte verbunden sind, ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Signalintegrität und können 2,5 A Strom übertragen.

Bild 6: Der 12-polige Kartenrandstecker 009159012651916 unterstützt die Anforderungen an eine hochkompakte Steuergerätevernetzung. (Bildquelle: Kyocera AVX)

Fahrzeugvernetzung

HF- und Mikrowellen-Richtkoppler, Induktivitäten und Antennen werden für eine wachsende Zahl von Anwendungen benötigt, darunter Ortungssysteme, schlüssellose Zugangssysteme und Vehicle-to-Everything(V2X)-Vernetzung. Richtungskoppler sind ein wichtiger Bestandteil vieler HF-Signalketten. Sie werden zur Abtastung von HF-Signalen mit hoher Isolierung und geringer Einfügedämpfung zwischen dem Signal und den abgetasteten Ports zur Unterstützung von Analyse, Messung und Verarbeitung verwendet. Der CP0603A0836ANTR ist beispielsweise ein HF-Richtkoppler, der im Frequenzband von 824 bis 849 Megahertz (MHz) mit einer Kopplung von 20,0 Dezibel (dB), einer maximalen Einfügedämpfung von 0,25 dB, einer Rückflussdämpfung von 28 dB und einer Richtwirkung von 22 dB arbeitet.

Die Abstimmung von HF-Antennen ist wichtig für leistungsstarke HF-Anwendungen im Automobil wie ADAS, V2X-Kommunikation und Vernetzung im Fahrzeuginnenraum. Die HF-Abstimmspule L0201R39AHSTR\500 hat eine feste Induktivität von 0,39 (±0,05) Nanohenry (nH) bei 450 MHz und ist für 550 mA bei einem maximalen Widerstand von 100 Milliohm (mΩ) ausgelegt. Sie besteht aus einer robusten Dünnfilm-Mehrschichtkonstruktion, die eine automatische Montage unterstützt.

Kompakte und effiziente Antennen sind ein wichtiger Bestandteil von HF-Systemen. AEC-Q200 gilt nicht direkt für Antennen, aber Kyocera AVX testet seine für die Automobilindustrie zugelassenen Antennen unter genauer Beachtung der Verfahren und Anforderungen von AEC-Q200. Die daraus resultierenden Antennen der A-Serie, wie die Wi-Fi-, Bluetooth- und Zigbee-Antenne A1001013, werden für Kfz-Anwendungen empfohlen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die für Kraftfahrzeuge ausgelegte Antenne A1001013 ist für den Einsatz in Wi-Fi-, Bluetooth- und Zigbee-Anwendungen konzipiert. (Bildquelle: Kyocera AVX)

Fazit

Autonome und vernetzte Fahrzeuge stellen die Entwickler zunehmend vor die Herausforderung, eine große Auswahl an AEC-Q200-qualifizierten passiven Komponenten zu identifizieren und auszuwählen, um einen robusten, zuverlässigen und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Der Prozess kann beschleunigt werden, wenn man einen bekannten, zuverlässigen Partner hinzuzieht, der Kondensatoren für die Automobilindustrie, Schutzkomponenten für Schaltkreise, Steckverbinder, passive HF- und Mikrowellenkomponenten und Antennen liefern kann.

Empfohlene Lektüre

1. Effiziente Implementierung einer Stromüberwachung mit integrierten bidirektionalen Strommessverstärkern
2. Implementierung von Leistungs- und Signalisolation für den zuverlässigen Betrieb von CAN-Bussen