Garantice sistemas automotrices confiables a través de una cuidadosa selección y uso de componentes pasivos

La demanda de componentes electrónicos para automóviles está creciendo en toda una serie de aplicaciones, como unidades de control electrónico (ECU) bajo el capó, sistemas de infoentretenimiento, sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), etc. Los sistemas electrónicos de automoción dependen de una serie de componentes de altas prestaciones para garantizar un rendimiento fiable y resistente, como capacitores para filtrado y almacenamiento de energía, varistores para protección de circuitos, conectores para ECU compactas y antenas y componentes pasivos de RF y microondas para apoyar la conectividad.

Según la ubicación en el vehículo, los requisitos de temperatura, choque y vibración, humedad, voltajes transitorios, descarga electrostática (ESD) y otros factores ambientales pueden variar. En todos los casos, se necesitan componentes pasivos que cumplan los requisitos AEC-Q200.

Los diseñadores tienen que seleccionar cuidadosamente entre una matriz de componentes para responder con fiabilidad a los retos del diseño de automóviles en general y, en especial, a las normas de rendimiento AEC-Q200. Esto puede ser difícil y llevar mucho tiempo, dependiendo del número y la variedad de componentes implicados.

Para garantizar que cumplen los desafíos relacionados con los sistemas electrónicos avanzados de automoción, al tiempo que minimizan el tiempo de comercialización, los diseñadores pueden aprovechar una única fuente probada con una amplia selección de componentes que ya están cualificados para automoción. Entre ellos se incluyen capacitores, dispositivos de protección de circuitos, conectores y antenas y componentes pasivos de RF y microondas.

Este artículo compara brevemente algunas características de funcionamiento de varias tecnologías de condensadores disponibles para los diseñadores y su idoneidad para las aplicaciones, incluidos dispositivos ejemplares de Kyocera AVX. A continuación, presenta ejemplos de dispositivos de protección de circuitos, conectores, componentes pasivos de RF y microondas y antenas para su uso en soluciones de automoción.

Capacitores para automoción

Para las necesidades comunes de las aplicaciones, como 10 voltios (V) o menos y capacitancias de hasta 100 microfaradios (µF), varias tecnologías de condensadores se solapan significativamente en términos de capacidad (Figura 1). Eso no significa que sean igual de adecuados para todas las aplicaciones. Son las sutilezas de sus prestaciones las que los diseñadores deben tener en cuenta a la hora de elegir. Algunas de las consideraciones importantes son las variaciones de la capacitancia con la tensión aplicada (coeficiente de tensión), las variaciones de la capacitancia con la temperatura (coeficiente de temperatura) y la variación de la resistencia equivalente en serie (ESR) con la frecuencia (curva de impedancia).

Figura 1: Diversas tecnologías de capacitores son similares desde el punto de vista de los valores nominales de voltaje y capacitancia. (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

Los capacitores cerámicos multicapa (MLCC) de alto valor nominal de capacitancia-tensión (CV) pueden empaquetar una gran cantidad de capacitancia en pequeños paquetes. Algunos capacitores de tantalio sólido y de polímero de tantalio comparten huellas comunes con los MLCC de alto CV. Los capacitores de óxido de niobio tienen valores nominales de capacitancia volumétrica algo inferiores. Los MLCC de alto CV están disponibles con dos dieléctricos a elegir:

• El dieléctrico X5R puede producir los valores nominales de capacitancia más altos, de hasta 100 µF, en MLCC de alto CV.
• Los MLCC X7R suelen estar limitados a un máximo de unos 22 µF, pero tienen una estabilidad de temperatura superior

Por ejemplo, el MLCC 12103C106K4T4A X7R tiene un valor nominal de 10 µF y 25 voltios. Tiene una variación de temperatura no lineal de la capacitancia dentro de ±15% de -55 a +125 °C. La capacitancia de los X7R también varía con el voltaje y la frecuencia. Los MLCC dieléctricos X7R pueden ser especialmente adecuados para aplicaciones en las que son aceptables los cambios conocidos de capacitancia debidos a voltajes aplicados.

Coeficientes de voltaje y temperatura

Aunque son relativamente estables, la capacitancia de los MLCC de alto CV disminuye a medida que la tensión de polarización aumenta hacia la tensión nominal (RV). Los capacitores de tantalio, óxido de niobio y polímero tienen coeficientes de voltaje planos. Además, los MLCC de alto CV experimentan disminuciones de la capacitancia a temperaturas altas y bajas, mientras que los condensadores de tantalio, óxido de niobio y polímero tienen coeficientes de temperatura mínimos (Figura 2).

Figura 2: Los capacitores de tantalio tienen un coeficiente de voltaje plano (dos gráficos de la izquierda) y un coeficiente de temperatura mínimo (gráfico de la derecha) en comparación con los MLCC. (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

Resistencia equivalente en serie (ESR) en función de la frecuencia

Las curvas de impedancia también pueden ser importantes. Los MLCC de alto CV tienen una resonancia aguda y una ESR baja, mientras que los capacitores de tantalio y óxido de niobio presentan curvas de impedancia de banda ancha (Figura 3). Las resistencias equivalentes en serie (ESR) de los dispositivos de óxido de tántalo y de niobio aumentan a bajas temperaturas. Los condensadores de polímero tienen características de impedancia de banda ancha, con menores ESR en comparación con los tántalos y los óxidos de niobio. Además, la ESR de los dispositivos de polímero sigue siendo baja a bajas temperaturas, mientras que las ESR de los capacitores de tantalio y óxido de niobio aumentan.

Figura 3: Los capacitores de tantalio tienen una curva de impedancia de banda ancha (naranja), mientras que los MLCC de alto CV tienen una ESR más baja (azul). (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

Capacitores de tantalio para ECU

Los diseñadores de ECU de automoción pueden recurrir a los condensadores de tantalio de la serie F97 de Kyocera AVX, que cumplen la norma AEC-Q200 y están disponibles con tensiones nominales de 6,3 a 35 voltios, un rango de temperatura de funcionamiento de -55 a 125 °C y capacitancias de hasta 150 µF. Por ejemplo, el F971A107MCC tiene un valor nominal de 100 µF y 10 voltios.

Capacitores de polímero para electrónica corporal

Los capacitores de polímero tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -55 a +125 °C, como los de tantalio, pero los de polímero están disponibles con VR de hasta 50 voltios, frente a los 35 voltios de los dispositivos de tantalio. La Serie TCQ de condensadores de polímero con calificación AEC-Q200 tiene capacitancias de hasta 470 μF y una vida útil nominal de 2.000 horas a 125 °C, el doble de lo exigido por la especificación AEC-Q200. Aplicaciones de automoción para estos condensadores incluyen la electrónica de la carrocería, el infoentretenimiento, los controles de cabina y los sistemas de confort, que pueden beneficiarse de dispositivos como el TCQD337M004R0025E de 330 µF y 4 voltios.

Óxido de niobio para sistemas en cabina

Los capacitores de óxido de niobio como los de la Serie OxiCap NOJ tienen valores de capacitancia de hasta 1000 μF y VR de hasta 10 voltios. Estos capacitores están diseñados para su uso en aplicaciones con voltajes de funcionamiento de hasta 7 voltios, como módulos de posición de asiento, controles de airbag y sistemas de infoentretenimiento. Tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -55 a +105 °C. Por ejemplo, el NOJC107M004RWJ tiene una capacidad nominal de 100 µF y 4 voltios. El óxido de niobio es una tecnología intrínsecamente segura con una alta resistencia y un modo de fallo sin combustión. También son muy fiables, con una tasa de fallos del 0.5% por cada 1000 horas de funcionamiento a 85 °C.

MLCC de alto voltaje

Además de los diseños de alto CV, los MLCC están disponibles con voltajes nominales de hasta 5000 voltios. El 1825CC154KAT2A de 630 voltios y 0.15 µF de Kyocera AVX con certificación AEC-Q200 está diseñado para su uso en amortiguadores y resonadores en convertidores de potencia de alta frecuencia para automoción y acoplamiento de alta tensión o bloqueo de CC. Estos diseños de chip de alto voltaje tienen ESR bajas a altas frecuencias.

Supercapacitores

Los supercapacitores se utilizan en sistemas de automoción para suministrar energía de reserva, prolongar la vida útil de las baterías y proporcionar impulsos instantáneos de energía. La serie SCC de AVX está disponible con capacitancias de 1 a 3000 Faradios (F) en dispositivos de 2.7 voltios y 3.0 voltios. El SCCV40E506SRB está clasificado a 50 F y 3 voltios, y tiene una resistencia equivalente en serie (ESR) máxima de 20 miliohmios (mΩ) (figura 4). Su tecnología de electrolito de acetonitrilo (ACN) proporciona una baja ESR. Por cada 10 °C o 0.2 voltios de reducción, la vida útil prevista de los dispositivos de ACN se duplica, lo que los hace idóneos para aplicaciones de larga duración. Existen piezas de la serie SCC LE especialmente optimizadas que presentan ESR aún más bajas.

Figura 4: Los supercapacitores como el SCCV40E506SRB pueden proporcionar energía de reserva, prolongar la vida útil de la batería o proporcionar impulsos instantáneos de energía. (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

Protección contra descargas electrostáticas

La protección contra descargas electrostáticas es necesaria en la mayoría de los sistemas de automoción. Los varistores multicapa de baja sujeción TransGuard de Kyocera AVX cuentan con la certificación AEC-Q200 y están diseñados para utilizarse cuando se necesita una menor relación entre la tensión de sujeción y la de trabajo. Proporcionan protección ESD bidireccional contra sobretensiones, así como atenuación de interferencias electromagnéticas e interferencias de radiofrecuencia (EMI/RFI) en un único componente para aplicaciones como ECU, sistemas de infoentretenimiento y pantallas en cabina. El VLAS080516C350RP tiene una tensión de trabajo de 16 voltios de corriente continua (_VCC) u 11 voltios de corriente alterna (VCA), una tensión de ruptura de 19.5 voltios +12% y una tensión de bloqueo de 35 voltios con una capacitancia de 900 picofaradios (pF) (Figura 5).

Figura 5: El VLAS080516C350RP es un varistor multicapa de baja sujeción que proporciona protección ESD bidireccional y atenuación EMI/RFI. (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

La línea ASPGuard de Kyocera AVX de dispositivos de baja capacitancia con certificación AEC-Q200 está diseñada para aplicaciones como sistemas de RF, sensores, líneas de datos de alta velocidad y otros lugares en los que los circuitos sensibles a la capacitancia deben protegerse contra la alta energía. Los dispositivos de protección ESD ASPGuard tienen una corriente de fuga baja, así como un rango de temperatura de funcionamiento de -55 a +150 °C y voltajes de trabajo de 18 a 70 _VCC. Por ejemplo, el VCAS04AP701R5YATWA está clasificado para 70 _VCC con una capacitancia de 1.55 ±0.13 pF y una corriente de fuga de 0.1 microamperios (μA).

Conectores de borde de tarjeta para ECU

Las ECU de automoción de alta densidad requieren soluciones de interconexión de mayor densidad, como el conector de borde de tarjeta de 12 posiciones 009159012651916 que se muestra en la figura 6. La serie de conectores de doble fila 9159-650 está disponible con 4 a 12 posiciones y presenta filas de contactos escalonadas que permiten el doble de posiciones que un diseño de una fila de tamaño similar. Estos conectores de borde de tarjeta están disponibles con y sin polarización. Los conectores polarizados requieren que la placa de PC incluya una llave para evitar una inserción incorrecta. Estos conectores están diseñados para su uso con placas de PC de 1.6 milímetros (mm) de grosor. Tienen contactos chapados en oro y, cuando se acoplan con placas de CI/ Placa CI chapadas en oro en la placa de PC, proporcionan altos niveles de fiabilidad e integridad de la señal y pueden transportar 2.5 A de corriente.

Figura 6: El conector de borde de tarjeta de 12 posiciones 009159012651916 puede satisfacer las necesidades de conectividadECU de alta densidad. (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

Conectividad de vehículos

Los acopladores direccionales, inductores y antenas de RF y microondas son necesarios para una creciente gama de aplicaciones, como los sistemas de localización, el acceso sin llave y la conectividad vehículo a todo (V2X). Los acopladores direccionales son una parte importante de muchas cadenas de señales de RF. Se utilizan para muestrear señales de RF con alto aislamiento y baja pérdida de inserción entre la señal y los puertos muestreados para facilitar el análisis, la medición y el procesamiento. Por ejemplo, el CP0603A0836ANTR es un acoplador direccional de RF que funciona en la banda de 824 a 849 megahercios (MHz) con un acoplamiento de 20.0 decibelios (dB), una pérdida de inserción máxima de 0.25 dB, una pérdida de retorno de 28 dB y una directividad de 22 dB.

La sintonización de antenas de RF es importante en aplicaciones de RF de alto rendimiento para automóviles como ADAS, comunicaciones V2X y conectividad en cabina. La inductancia de sintonización de RF L0201R39AHSTR\500 tiene una inductancia fija de 0.39 (±0.05) nanohenrios (nH) a 450 MHz, y tiene una capacidad nominal de 550 mA con una resistencia máxima de 100 miliohmios (mΩ). Está fabricado con una robusta estructura multicapa de película fina que permite el ensamblaje automático.

Las antenas compactas y eficientes son un componente fundamental de los sistemas de radiofrecuencia. AEC-Q200 no se aplica directamente a las antenas, pero Kyocera AVX prueba sus antenas para automoción siguiendo de cerca los procedimientos y requisitos de AEC-Q200. Las antenas de la Serie A resultantes, como la antena Wi-Fi, Bluetooth y ZigBee A1001013, se recomiendan para aplicaciones de automoción (Figura 7).

Figura 7: La antena para automoción A1001013 está diseñada para su uso en aplicaciones Wi-Fi, Bluetooth y ZigBee. (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

Conclusión:

Cada vez más, los vehículos autónomos y conectados suponen un reto para los diseñadores a la hora de identificar y seleccionar una amplia gama de componentes pasivos con certificación AEC-Q200 para garantizar un funcionamiento robusto, fiable y eficiente. El proceso puede agilizarse recurriendo a un socio conocido de confianza que pueda suministrar condensadores para automoción, dispositivos de protección de circuitos, conectores, componentes pasivos de RF y microondas y antenas.

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