Erfüllung neuer Anforderungen an das Automobildesign durch den Einsatz moderner Komponenten

Die Anforderungen an Automobilanwendungen sind komplex und reichen von den grundlegenden Bedürfnissen nach hoher Performance, Zuverlässigkeit und Sicherheit elektronischer Subsysteme bis hin zur wachsenden Nachfrage nach vielfältigen Verbindungsmöglichkeiten. Die Erfüllung dieser Anforderungen ist aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen in Kraftfahrzeugen, des Bedarfs an kompakteren Subsystemen und des Übergangs zu Hochspannungs-Elektrofahrzeugen (EVs) und Hybridfahrzeugen eine Herausforderung.

Entwickler benötigen eine breite Palette von Kondensatoren, Schutzvorrichtungen für Schaltkreise und Hochfrequenzantennen, die die AEC-Q200-Normen erfüllen oder übertreffen und gleichzeitig den Herausforderungen in Bezug auf Performance, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Vernetzung in Automobildesigns gerecht werden. Um diese Herausforderungen zu meistern, können sich Entwickler von Automobilsystemen an ein Unternehmen wenden, das über Fachwissen im Bereich der vom Automotive Electronic Council Qualifications 200 (AEC-Q200) qualifizierten Kondensatoren, Schaltungsschutzvorrichtungen und konformen HF-Antennen verfügt. Das spart Zeit und erhöht die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Entwurfs.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die wichtigsten Trends und Designherausforderungen bei neuen Automobilanwendungen. Anschließend werden Lösungen von Kyocera AVX vorgestellt und gezeigt, wie sie dazu beitragen können, diese Herausforderungen zu bewältigen.

Wie die Trends in der Automobilindustrie die Designanforderungen verändern

Die Nachfrage nach mehr Funktionen und Möglichkeiten hat die Menge an elektronischen Inhalten in Kraftfahrzeugen drastisch erhöht. Neben eher verbraucherorientierten Subsystemen wie modernen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) tragen eingebettete elektronische Subsysteme dazu bei, die Sicherheit, die Effizienz und den Komfort sowohl in konventionell angetriebenen Fahrzeugen als auch in E-Fahrzeugen zu verbessern. Insbesondere in Elektrofahrzeugen spielen elektronische Subsysteme eine zentrale Rolle bei der Sicherstellung von Leistung und Effizienz in den Hochspannungsantrieben und Batteriemanagementsystemen.

Die Trends in der Branche verlangen von den Entwicklern elektronischer Subsysteme für konventionelle und Elektrofahrzeuge kompaktere und kostengünstigere Designs, die gleichzeitig ein Höchstmaß an Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit bieten. AEC-Q200-konforme Komponenten von Kyocera AVX erfüllen die vielfältigen Anforderungen der zahlreichen elektronischen Systeme, die zur Unterstützung dieser neuen Trends erforderlich sind.

Kondensatoren unterstützen die grundlegenden Anforderungen der Automobilentwicklung

Die Kondensatoren von Kyocera AVX erfüllen die grundlegenden Anforderungen an Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit in elektronischen Subsystemen im Automobil. Diese Kondensatoren, die mit einer Vielzahl von Technologien hergestellt werden, bieten Entwicklern die erforderliche Kombination von Leistungsmerkmalen, Eigenschaften, Gehäusen und Montagearten, einschließlich Technologie zur Oberflächenmontage (SMT) und radialer Anschlussdrähte.

Entwickler greifen häufig auf Mehrschicht-Keramikchipkondensatoren (MLCCs) zurück, wie z.B. die AEC-Q200-qualifizierten SMT-MLCCs von Kyocera AVX für Anwendungen, die einen minimalen Platzbedarf bei hoher Zuverlässigkeit, hoher Kapazität und niedrigem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) erfordern. Der KAS21BR72A222JM beispielsweise ist ein MLCC für 100 Volt mit 2200 Picofarad (pF) und wird in einem üblichen 0805-SMT-Gehäuse mit den Abmessungen 2,01 × 1,25 Millimeter (mm) geliefert.

In der Vergangenheit fielen herkömmliche MLCCs im Automobilbau häufig aufgrund von mechanischer Belastung und Unstimmigkeiten zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bauteils und dem der Leiterplatte aus. Kyocera AVX adressiert dieses Problem mit seiner innovativen FLEXITERM-Technologie, die eine leitfähige Polymerschicht enthält, um die elektrische Verbindung zwischen der Kondensatorelektrode und dem Anschluss aufrechtzuerhalten, selbst bei Biegung der Leiterplatte, Vibration und thermischer Ausdehnung. Diese Schicht trägt dazu bei, häufige Fehlerquellen zu reduzieren, ohne den ESR-Wert des Kondensators zu erhöhen.

Zum weiteren Schutz vor Ausfällen in sicherheitskritischen Anwendungen kombinieren einige MLCCs von Kyocera AVX, darunter der KAS21BR72A222JM, FLEXITERM mit der FLEXISAFE-Technologie. Die FLEXISAFE-MLCCs von Kyocera AVX (Abbildung 1) verwenden ein internes kaskadiertes Elektrodendesign, um zwei Kondensatoren in Serie in einem einzigen MLCC-Gehäuse zu liefern.

Abbildung 1: Die FLEXITERM-MLCC-Technologie von Kyocera AVX enthält eine leitfähige Polymerschicht zwischen der Elektrode und dem Anschluss, um die elektrische Verbindung zwischen dem Bauelement und der Leiterplatte trotz mechanischer Belastung und thermischer Fehlanpassung aufrechtzuerhalten. (Bildquelle: Kyocera AVX)

Mit dieser Kaskadenstruktur behalten die FLEXISAFE-MLCCs ihre Nennkapazität auch dann bei, wenn einer der internen Serienkondensatoren kurzgeschlossen wird.

Gewährleistung einer stabilen Performance bei Automobildesigns

Neben einer hohen Zuverlässigkeit sind viele Subsysteme in der Automobilindustrie auf eine hochstabile, verlustarme Performance mit minimalen Kapazitätsänderungen aufgrund von Temperatur, Spannung oder Alterung angewiesen. Für diese Designs können Entwickler auf die AEC-Q200-qualifizierten Kondensatoren mit C0G(NP0)-Dielektrikum, wie den SMT-MLCC 08051A102J4T2A mit 1000 pF von Kyocera AVX oder den radial bedrahteten MLCC AR215A102J4R mit 1000 pF zurückgreifen.

Die aus einem der stabilsten Dielektrika hergestellten C0G(NP0)-Kondensatoren von Kyocera AVX zeichnen sich durch enge Toleranzen und hervorragende Stabilitätseigenschaften aus, darunter:

• Vernachlässigbare Kapazitätsdrift oder Hysterese: weniger als ±0,05% im Vergleich zu bis zu ±2% bei Folienkondensatoren
• Minimale Alterungseffekte: Die typische Kapazitätsänderung beträgt weniger als ±0,1% für C0G (NP0), ein Fünftel derjenigen der meisten anderen Dielektrika (Abbildung 2, links)
• Minimale Kapazitätsänderung mit der Temperatur: nur 0 ±30 Teile pro Million pro Grad Celsius (°C), weniger als ±0,3%°C über den Nenntemperaturbereich dieser Geräte von -55°C bis +125°C (Abbildung 2, rechts)

Abbildung 2: Die AEC-Q200-qualifizierten Kondensatoren mit C0G(NP0)-Dielektrikum arbeiten mit zunehmendem Alter (links) und über ihre Betriebstemperatur hinweg (rechts) stabil. (Bildquelle: Kyocera AVX)

Umgang mit anspruchsvollen Automobilanforderungen

Das Aufkommen von Elektro- und Hybridfahrzeugen hat eine Nachfrage nach Kondensatoren ausgelöst, die den hohen Spannungen in diesen Fahrzeugen standhalten. Kyocera AVX erfüllt diesen Bedarf mit seinen AEC-Q200-qualifizierten Keramikkondensatoren der SkyCap-AR-Serie, wie z. B. dem Radialkondensator AR30HC102K4R mit 1000 pF bei einer Nennspannung von 3000 V.

Die zunehmende Anzahl von Sensoren in Kfz-Subsystemen erfordert Kondensatoren, die in Umgebungen mit hohen Temperaturen, wie sie unter der Motorhaube, im Antriebsstrang und in Bremssystemen herrschen, zuverlässig arbeiten können. Die Mitglieder der SkyCap-AR-Familie, die mit dem X8R-Dielektrikum aufgebaut sind, haben einen Betriebstemperaturbereich von -55°C bis +150°C und bieten einen großen Kapazitätsbereich, der beim AR205F334K4R bis zu 0,33 Mikrofarad (µF) reicht.

Für den Betrieb bei noch höheren Temperaturen bieten die Tantalkondensatoren der THJ-Serie von Kyocera AVX einen Betriebstemperaturbereich von -55 °C bis +175 °C in Bauelementen mit einer Kapazität von 0,1 µF beim THJA104K035RJN bis 220 µF beim THJE227K010RJN. Ersterer wird in einem Standard-SMT-Gehäuse 1206 (3,2 mm × 1,6 mm) bereitgestellt, letzterer in einem Standard-SMT-Gehäuse 2917 (7,3 mm × 4,3 mm).

Kompaktere Lösungen werden in Fahrzeugen immer wichtiger. Die AEC-Q200-qualifizierten Kondensatorarrays der W2A-Serie von Kyocera AVX für integrierte passive Komponenten (IPC) bieten zwei oder vier Kondensatoren in einem einzigen 0508-Gehäuse (1,3 mm × 2,1 mm). Der W3A43C104K4Z2A, der zu den AEC-Q200-qualifizierten IPC-Kondensatorarrays der W3A-Serie des Unternehmens gehört, ist ein FLEXITERM-Keramik-IPC-Kondensatorarray, das vier 0,1µF-Kondensatoren in einem einzigen 0612-Gehäuse (1,6 mm × 3,2 mm) integriert. Diese Kombination von Merkmalen bietet eine kompakte Lösung, die mechanischer und thermischer Beanspruchung standhält und im Vergleich zu Designs mit diskreten Kondensatoren erhebliche Platzeinsparungen auf der Leiterplatte ermöglicht (Abbildung 3).

Abbildung 3: In einem 0612-Gehäuse hergestellt, kann ein W3A-Kondensatorarray mit vier Elementen, wie das W3A43C104K4Z2A, mechanischen und thermischen Belastungen standhalten und bietet gleichzeitig erhebliche Einsparungen an Leiterplattenfläche. (Bildquelle: Kyocera AVX)

Die breite Palette der AEC-Q200-qualifizierten Kondensatoren von Kyocera AVX erfüllt immer vielfältigere Anforderungen; modernere elektrische Fahrzeugarchitekturen mit höheren Spannungen stellen jedoch zusätzliche Anforderungen an den Schutz der Schaltkreise.

Schutz empfindlicher Elektronik in der rauen Automobilumgebung

Die AEC-Q200-qualifizierten TransGuard-Mehrschichtvaristoren von Kyocera AVX sind für einen robusten Schutz ausgelegt und bieten einen bidirektionalen Überspannungsschutz zum Schutz empfindlicher Automobilelektronik. Darüber hinaus bieten sie die notwendige Dämpfung elektromagnetischer Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI), um Signalverzerrungen zu mindern und gesetzliche Anforderungen zu erfüllen. Beim bidirektionalen Überspannungsschutz funktionieren diese Komponenten ähnlich wie Back-to-Back-Zenerdioden, jedoch mit einer Reaktionszeit von weniger als 1 Nanosekunde (ns) (Abbildung 4), so dass sie Überspannungsereignissen schneller entgegenwirken können.

Abbildung 4: Obwohl TransGuard-Varistoren ähnlich wie Back-to-Back-Zenerdioden funktionieren, weisen sie eine deutlich schnellere Einschaltzeit auf, was eine schnelle Reaktion auf Überspannungsereignisse gewährleistet. (Bildquelle: Kyocera AVX)

Die Mitglieder der TransGuard-Familie erfüllen ein breites Spektrum an Leistungsanforderungen für hohe Zuverlässigkeit, hohe Strombelastbarkeit und hohe Energieaufnahme. Für viele Anwendungen mit geringerem Energieverbrauch, wie z. B. den Schutz von Sensorsystemen, bietet der VCAS040205X150WP mit seiner Arbeitsspannung von 5,6 Volt Gleichstrom (VDC), einer Klemmspannung von 18 Volt und einem Stoßstrom-Aufnahmefähigkeit von 20 Ampere (A) bei einer Betriebstemperatur von -55°C bis +125°C eine effektive Lösung. Für Hochenergie- und Hochtemperaturanwendungen unter der Motorhaube und anderswo erfüllt der VGAH322026Z570DP die Anforderungen mit einer Stoßstrom-Aufnahmefähigkeit von 1,8 Kiloampere (kA) und einer Energie von 13 Joule (J) über einen Betriebsbereich von +55°C bis +150°C. Die TransGuard-FLEXITERM-Serie bietet Komponenten mit einem ähnlich breiten Spektrum an Schutzcharakteristika sowie einen robusten Schutz gegen mechanische Belastungen und thermische Fehlanpassungen.

Die AEC-Q200-qualifizierten NTC-Thermistoren (Negative Temperature Coefficient) von Kyocera AVX unterstützen Entwickler beim Schutz von Automobilschaltungen in temperatursensiblen Anwendungen oder an Orten mit hohen Temperaturen und bieten eine breite Palette an Performance- und Fertigungsanforderungen durch mehrere Serien:

• Serie NB, bestehend aus SMT-Thermistoren für bleifreies Löten
• Serie NC, bestehend aus SMT-Thermistoren für die Hybridmontage
• Serie ND03 und Serie NJ28, bestehend aus bedrahteten Thermistoren

Für die hochgenaue Temperaturerfassung bieten Familienmitglieder wie der bedrahtete Thermistor NJ28PA0203F-- die erforderliche enge Toleranz und steile Widerstandsänderungen mit der Temperatur. Für Anwendungen zur Temperaturregelung oder -kompensation können Komponenten wie der NC20R00105JBA die erforderliche stabile Messung über einen weiten Temperaturbereich bieten.

Vernetzte Fahrzeuge

Da die drahtlose Vernetzung zwischen und innerhalb von Fahrzeugen immer wichtiger wird, erfüllen die HF-Antennen der A-Serie von Kyocera AVX die entstehenden Anforderungen für mehrere Vernetzungstechnologien und Bandbreiten (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die HF-Antennen der A-Serie bieten eine Standardlösung für die wachsende Nachfrage nach vielfältigen Vernetzungsoptionen für verschiedene Subsysteme im Automobil. (Bildquelle: Kyocera AVX)

Diese Antennen wurden für eine einfache Implementierung und schnelle Markteinführung entwickelt und unterstützen die führenden Netzwerktechnologien für persönliche Kommunikation, Datennetzwerke, Sicherheitssysteme und Navigation mit Geräten wie den folgenden:

• AP822601 - Breitbandantenne für Mobilfunk, Wi-Fi und ISM-Vernetzung (Industrie, Wissenschaft und Medizin)
• A9002137 - Antenne für das globale Satellitennavigationssystem (GNSS), die die am häufigsten verwendeten Frequenzen für die private und kommerzielle Navigation unterstützt
• A9001978 - Antenne für Dual-Band-Wi-Fi, Bluetooth oder Ultrabreitband(UWB)-Vernetzung

Obwohl die AEC-Q200-Norm nicht explizit für Antennenprodukte gilt, werden die HF-Antennen der A-Serie unter Einhaltung der in der Norm beschriebenen Anforderungen und Verfahren streng getestet, um den Entwicklern das für Automobilsysteme erforderliche Maß an Zuverlässigkeit und Leistung zu bieten.

Fazit

Mit dem rasanten Vormarsch der Automobilindustrie hin zu Fahrzeugen mit höherem Elektronikanteil benötigen die Entwickler Komponenten, die mehr Leistung, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Vernetzung in immer kompakteren und anspruchsvolleren Umgebungen bieten. Kyocera AVX hilft bei der Bewältigung dieser Herausforderungen mit einer breiten Palette von AEC-Q200-konformen Kondensatoren, Schaltungsschutzvorrichtungen und HF-Antennen.