我們中的許多人都觀察到過(guò)設(shè)備受過(guò)度振動(dòng)的影響，從異常磨損和固定松動(dòng)再到器件受損，不一而足。可以通過(guò)傳統(tǒng)方法使機(jī)械設(shè)備不受振動(dòng)的干擾，例如使用額外的固定裝置將器件鎖定，或者使用防振裝置隔離敏感區(qū)域。但是，在電子設(shè)備中，可能會(huì)存在成千上萬(wàn)個(gè)易損小器件。如今，汽車(chē)已成為相對(duì)受沖擊和振動(dòng)惡劣環(huán)境的典范，我們?cè)谄渲邪惭b各種電子產(chǎn)品，從大功率的電機(jī)控制到自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)再到信息娛樂(lè)設(shè)備。最新的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)甚至在輪轂中安裝復(fù)雜的電子設(shè)備，這些都是最受機(jī)械“環(huán)境壓力”影響的惡劣環(huán)境。

在車(chē)輛和許多其他消費(fèi)產(chǎn)品中，電子設(shè)備通常對(duì)安全而言至關(guān)重要，因此必須具有高度的可靠性，但同時(shí)也要盡可能的降低成本。但是，要獲得抗振動(dòng)損壞能力，傳統(tǒng)的“過(guò)度工程化”航空航天似的方法是則不可行的，必須找到能使大量生產(chǎn)的器件都符合相關(guān)規(guī)格的解決方案。

制定標(biāo)準(zhǔn)

要驗(yàn)證是否已充分保護(hù)器件免受振動(dòng)的影響，我們必須首先為自己設(shè)定可接受的標(biāo)準(zhǔn)。這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)檎駝?dòng)本質(zhì)上通常是隨機(jī)的，并且會(huì)隨條件和時(shí)間而變化。在某些環(huán)境中，例如在工業(yè)中，振動(dòng)影響通常來(lái)自旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，并可在一定程度上進(jìn)行量化，但是在其他領(lǐng)域（例如汽車(chē)），則受到牽引系統(tǒng)和路面等多種來(lái)源的影響。汽車(chē)OEM原始設(shè)備制造商在標(biāo)準(zhǔn)化粗糙表面的測(cè)試軌道上具有詳盡的測(cè)試制度，但是人們期望電子子系統(tǒng)及其組件已經(jīng)受過(guò)評(píng)估，并被證明不受某些標(biāo)準(zhǔn)的影響。根據(jù)定義，隨機(jī)振動(dòng)無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化，因此一種常見(jiàn)的技術(shù)是應(yīng)用正弦激勵(lì)，并在監(jiān)視的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻，以尋找器件的機(jī)械共振。然后將振動(dòng)輸入設(shè)置在這些頻率上，并停留一段時(shí)間，以確定是否會(huì)發(fā)生故障。連續(xù)的正弦掃頻振動(dòng)激勵(lì)也是“掃描（證明）耐久性”概念的基礎(chǔ)。 IEC 60068-2-6: 2008是正弦振動(dòng)測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)，它還提供了一些建議的測(cè)試級(jí)別和持續(xù)時(shí)間。

振動(dòng)測(cè)試等級(jí)

純正弦振動(dòng)的強(qiáng)度可以用數(shù)學(xué)上相關(guān)的三種方式表示：最大振幅或位移、最大速度和最大加速度。圖1顯示了歸一化為1Hz的量之間的關(guān)系，這源于，速度是位移隨時(shí)間的變化率，而加速度是速度隨時(shí)間的變化率。

圖1：正弦曲線的位移、速度和加速度之間的關(guān)系

正弦波過(guò)零時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大速度，而最大加速度則在波形的峰值處。請(qǐng)記住，正弦的微分是余弦，即90度相移，再進(jìn)一步的微分是再90度的相移，這有助于形象化。圖1中的三個(gè)圖形是等效的，因此任一圖形都可以用來(lái)定義特定頻率下的振動(dòng)強(qiáng)度，并且可以方便地引用恒定量、加速度作為規(guī)格。但是，對(duì)于恒定加速度，位移會(huì)隨著頻率的降低而增加，并且在某個(gè)點(diǎn)上對(duì)于測(cè)試設(shè)備的維持來(lái)說(shuō)是不切實(shí)際的，因此，常見(jiàn)的規(guī)范是要求恒定位移振動(dòng)達(dá)到指定的“交叉”頻率，然后再?gòu)哪呛愣铀俚阶畲箢l率。

IEC 60068-2-6: 2008主要涉及術(shù)語(yǔ)的定義和方法，但確實(shí)提供了一些建議的測(cè)試條件。例如，掃描速率被指定為指數(shù)， 一個(gè)八度，或者每分鐘頻率加倍，公差為+/- 10％。范圍內(nèi)的更低頻率應(yīng)從任意設(shè)定值中選擇；0.1、1、5、10、55或100Hz，上限頻率應(yīng)從10、20、35、55、100、150、200、300、500、1000、2000或5000 Hz中選擇。標(biāo)準(zhǔn)中的表格顯示了測(cè)試持續(xù)時(shí)間，典型情況是10Hz至5,000Hz掃描，重復(fù)100次，耗時(shí)約30小時(shí)。至10Hz，通常會(huì)指定恒定的位移幅度，而高于10Hz則是恒定的加速度。但是，如果在該頻率上要求的幅度超出測(cè)試設(shè)備的能力，則可能需要更高的交叉頻率。在發(fā)現(xiàn)共振的地方，標(biāo)準(zhǔn)建議的停留時(shí)間為10分鐘、30分鐘、90分鐘或1小時(shí)。

IEC 60068-2-6: 2008沒(méi)有規(guī)定確切的振動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)和掃描周期數(shù)，但給出了如表1所示的標(biāo)準(zhǔn)示例。交叉頻率設(shè)置為58Hz至62Hz。低于交叉頻率時(shí)使用振幅或位移規(guī)格，高于時(shí)則使用加速度。加速度以m/s2表示，將其轉(zhuǎn)換為“ g”除以10得到一個(gè)近似值。

表1:符合IEC 60068-2-6: 2008的應(yīng)用類別的振動(dòng)強(qiáng)度和掃描周期數(shù)范例

電容器需要防振
在所有常見(jiàn)的電子器件中，電容器通常最容易受到振動(dòng)的損壞，特別是高值電解類型，電容器可以高而小直徑，以減小占位面積。典型的通孔引線類型具有相對(duì)較差的性能，通常在10到55Hz的掃頻范圍內(nèi)，最大額定值為10g或約100m/s2，峰到峰位移為1.5mm。盡管這對(duì)于非關(guān)鍵的商用設(shè)備是可以接受的，但其他應(yīng)用（例如公路車(chē)輛、建筑設(shè)備和農(nóng)業(yè)機(jī)械）通常則需要更高的額定值。

松下已在其FK、FKS、FP、FN、FT、TC、TCU、TP和TQ系列的表面貼裝鋁電解電容器，以及ZA、ZC、ZE、ZK、ZKU和ZS系列的導(dǎo)電聚合物混合鋁電解電容器中，找到了解決此問(wèn)題的方法。這些系列的零部件可具有高振動(dòng)能力，包括更厚的內(nèi)部連接、塑料基板的高“壁”和帶有輔助觸點(diǎn)的更多支撐端子。

圖2：松下抗振SMD電容器

耐振動(dòng)類型能夠承受294m/s2(30g) 的沖擊，并且在5到2000Hz的振動(dòng)激勵(lì)下具有5mm的峰到峰位移，顯著提高了其性能。分別在X、Y和Z軸上進(jìn)行了兩個(gè)小時(shí)的測(cè)試，沒(méi)有出現(xiàn)故障。這些零部件的高振動(dòng)規(guī)范得到了汽車(chē)AEC-Q200兼容性和高耐用性的完善，根據(jù)系列的不同，通常在105°C時(shí)為10,000小時(shí)，在125°C時(shí)為4000小時(shí)，在145°C時(shí)為2000小時(shí)。

導(dǎo)電聚合物混合鋁技術(shù)完善了高振動(dòng)規(guī)格

在使用高μF數(shù)值的應(yīng)用中，零部件的物理尺寸很大，通常會(huì)并聯(lián)很多器件，因此，電容器遭受振動(dòng)損壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。例如，逆變器或電機(jī)控制器中的直流母線連接或大功率AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換器中的輸出濾波器。然而，在這些應(yīng)用中，特別是在高開(kāi)關(guān)頻率下，電容值本身通常不是關(guān)鍵參數(shù)，只要它高于大容量?jī)?chǔ)能的最小值即可。更重要的是器件的等效串聯(lián)電阻（ESR）和隨之產(chǎn)生的紋波電流處理能力。通過(guò)電容器ESR的高頻紋波電流會(huì)產(chǎn)生紋波電壓，這通常對(duì)轉(zhuǎn)換器的性能至關(guān)重要。

“標(biāo)準(zhǔn)”電解電容器可以具有良好的ESR和紋波電流額定值，但松下導(dǎo)電聚合物混合鋁類型可以為小尺寸提供更好的額定值，并具有更好的紋波電壓性能。例如，在12V直流母線應(yīng)用中，如果規(guī)范要求最低1500μF，總ESR為3毫歐和11 安的紋波電流，則可以使用四個(gè)Φ16mm x 25mm的標(biāo)準(zhǔn)電解電容器或者三個(gè)松下ZS系列導(dǎo)電聚合物混合型Φ10mm x 16.5mm來(lái)實(shí)現(xiàn)，僅為體積的20％，重量?jī)H為其一小部分（圖3）。松下的防震功能以及減小的高度、體積和重量，極大地提高了防震性能。

圖3：案例研究，使用標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)電聚合物電容器的直流母線應(yīng)用

結(jié)論

耐振動(dòng)性至關(guān)重要的應(yīng)用，正越來(lái)越普遍，為此，松下公司提供電容器防振器件。加速度和位移的規(guī)格通常可以滿足最苛刻的要求，而松下的導(dǎo)電聚合物混合鋁技術(shù)可以生產(chǎn)出更小更輕的器件。與標(biāo)準(zhǔn)的電解類型相比，該技術(shù)還具有更好的穩(wěn)定性、使用壽命、可靠性、安全性和生命周期成本。