TDK 车规级元件：助力汽车电子设计攻克大挑战

随着汽车行业朝着电气化和智能化的方向迅猛发展，汽车电子产品在整车中的重要性日益凸显。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%，而到 2030 年，这一比例有望大幅提升至 49.55%。

回顾汽车电子产品的发展历程，以车载收音机为代表的初代产品，仅仅为用户提供一些较为 “边缘” 的功能体验。然而，如今汽车电子在推动汽车发展的进程中已占据 “核心” 地位。有研究表明，当今超过 70% 的汽车创新都源于汽车电子领域。从汽车行业的市场营销话术也能看出，传统汽车技术平台中的发动机、变速箱等 “老明星”，正逐渐被电机、电池、电控、自动驾驶、车联网等由汽车电子驱动的 “新势力” 所取代。

在这一发展趋势下，推动汽车发展的底层技术也发生了显著变化。电子元器件在整车技术生态中的影响力不断增强，即使是电子系统中那些看似 “不起眼” 的无源元件，在解决汽车电子设计难题时也发挥着至关重要的作用。

本文将以 TDK 的几款车规级元件为例，深入探讨这些 “小元件” 如何凭借创新的设计和卓越的性能，应对汽车电子设计中的 “大挑战”。

挑战一：提升电源效率

汽车的电气化转型以及电子设备的不断增加，对电源系统提出了更高的要求，需要以更大的功率提供充足的电力。为了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 升级已成为重要趋势。

与传统的 12V 系统相比，48V 系统具有诸多优势。一方面，它能够承载更高的功率；另一方面，由于电流消耗更低，可以使用更细更轻的线缆，从而减轻供电线缆的重量，提高整车能源利用效率和续航里程。

然而，考虑到许多车载电子设备仍然采用 12V 电压供电，在构建 48V 系统时需要兼顾对 12V 应用的支持。如果不想额外配置一块 12V 电池，就需要在设计中采用混合 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。这种混合 DC/DC 转换器只需使用单一电池电源，提供了一种高效、节省空间的解决方案。

但混合 DC/DC 转换器也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增加，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；此外，车载应用有限的空间对系统设计的小型化提出了更高的要求。为了有效应对这些挑战，需要从基础元器件的优化设计入手。

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。该系列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%。

此外，ERUC23 系列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，确保了高饱和电流、高效率和高可靠性。同时，它还具有低直流电阻，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，有助于提升整体系统效率，消除热损耗及其导致的元器件老化，延长使用寿命。该系列符合 AEC - Q200 车规，工作温度范围极宽，从 - 40°C 至 + 150°C，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，对可靠性提出了更高的要求，需要确保其长期稳定地工作。这种设计要求反映在元件上，使得许多在其他行业表现出色的产品，在汽车电子应用中可能无法胜任。因此，针对汽车应用对元器件进行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，根据电解质的种类，通常分为 “液态” 和 “固态” 两种类型。液态铝电解电容器具有容量大、耐压高、漏电流低的优点，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。这种电容器具有低 ESR、稳定的温度特性、更高的安全性和更长的寿命，在高可靠性方面表现更优。然而，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与液态电容器相媲美。

在汽车电子应用中，传统的液态和固态铝电解电容各有优缺点，都不是兼具高性能和高可靠性的理想解决方案。因此，一种结合了液态和固态两种电容器优点的混合聚合物铝电解电容器应运而生。

所谓 “混合”，是指这种电容器在电解质中融合了导电聚合物和电解液。这使得它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，它也具备与固态电容器相似的低 ESR 特点，能够支持较高的纹波电流，并具有较长的高温寿命。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。

TDK 为了满足汽车电子高可靠性的设计要求，开发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。这些电容器的电容值范围为 56μF 至 2200μF，在工作温度范围内具有大纹波电流、低 ESR 和长使用寿命的特性，且符合 AEC - Q200 车规标准。

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，为了紧贴散热器对内部机械结构进行了优化，可实现与散热器之间长期可靠的连接，保证良好的散热。这些混合电容器的耐压高达 80V，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。

凭借这些特性，TDK 的混合聚合物铝电解电容器可广泛应用于汽车功率电子领域，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，成为高性能、高可靠性设计的首选。

挑战三：EMI 降噪

随着越来越多的电子设备被安装到空间有限的汽车中，抑制 EMI 噪声干扰成为了一大挑战。这时，就需要用到 EMI 抑制电容器，即安规电容。

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，即使电容器失效，也不会导致电击、燃烧等危害，确保人身安全。

在汽车电子应用中，对 EMI 抑制电容器的选型有更高的标准。首先，电容器的关键性能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，电容器必须具备更强的恶劣环境耐受能力，以满足汽车应用环境的要求。为此，想要应用于汽车的电容器需要经过严苛的可靠性测试，例如根据 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，EMI 抑制电容器的外形需要更为紧凑。

综合这些设计要求，在众多电容器类型中，金属化聚丙烯薄膜（MKP）电容器是更为理想的选择。它在不同温度、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，在出现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市场需求而推出的产品。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。

与前代产品相比，B3292xM3/N3 系列体积减小了 20%，在空间受限的车载应用中表现出色。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，其更紧凑的尺寸和增强的耐用性，非常适合各类空间狭小和高湿度环境的汽车应用。

小结

展望汽车行业的未来，智慧出行的美好体验令人憧憬。然而，每一位汽车电子开发者都清楚，实现这一目标并非一帆风顺，需要克服诸多技术障碍。

应对这些挑战，需要通过优化和创新，夯实每一块技术基石，包括电容器、电感器等 “微小” 的元件。TDK 的这些车规级元件凭借其创新的设计和卓越的性能，为汽车电子设计带来了新的解决方案，有望助力汽车行业迈向更高的发展阶段。