陶瓷電容器的溫度和電壓變化

現(xiàn)代小尺寸陶瓷電容器的現(xiàn)實(shí)情況很好地提醒您務(wù)必閱讀數(shù)據(jù)手冊。本教程解釋了陶瓷電容器類型名稱（如 X7R 和 Y5V）如何與電壓系數(shù)無關(guān)。工程師必須檢查數(shù)據(jù)，才能真正知道特定電容器在電壓下的性能。

簡介：我很驚訝

幾年前，在從事這些工作超過25年之后，我學(xué)到了一些關(guān)于陶瓷電容器的新知識。我正在研究一個(gè)LED燈泡驅(qū)動(dòng)器，我的項(xiàng)目中RC電路的時(shí)間常數(shù)似乎根本不對。

我立即假設(shè)電路板上安裝了不正確的元件值，因此我測量了構(gòu)成分壓器的兩個(gè)電阻。他們很好。我從電路板上拆下電容器并對其進(jìn)行了測量。它也很好。為了確定，我買了新的電阻器和電容器，然后測量并安裝了它們。我啟動(dòng)了電路，檢查基本操作是否正確，然后去看看我的RC時(shí)間常數(shù)問題是否得到解決。其實(shí)不然。

我正在自然環(huán)境中測試電路：在外殼中，外殼本身位于一個(gè)外殼中，以模仿天花板照明的“罐頭”。在某些情況下，組件溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過+100°C。 即使在我重新測試RC行為的短時(shí)間內(nèi)，事情也可能變得非常熱。當(dāng)然，我的下一個(gè)結(jié)論是電容器的溫度變化是問題所在。

我對這個(gè)結(jié)論持懷疑態(tài)度，因?yàn)槲沂褂玫氖荴7R電容器，正如我多年來所知，在+15°C下只有±125%的變化。 為了確定并確認(rèn)我的記憶，我查看了我正在使用的電容器的數(shù)據(jù)手冊。那時(shí)我的陶瓷電容器再教育開始了。

一些基本陶瓷電容器類型的背景

對于那些沒有記住這些東西的人（就像幾乎所有人一樣），表1顯示了用于陶瓷電容器類型的字母和數(shù)字以及每個(gè)類型的含義。此表描述了II類和III類陶瓷。無需深入細(xì)節(jié)，I 類電容器包括常見的 COG （NPO） 類型。這些在體積上不如我們表中的那些，但它們在環(huán)境條件下更加穩(wěn)定，并且它們不表現(xiàn)出壓電效應(yīng)。但是，下表中的那些可能具有差異很大的特征;它們會隨著施加的電壓而膨脹和收縮，有時(shí)會引起可聽見的嗡嗡聲或振鈴聲，壓電效應(yīng)。

在上述許多電容器類型中，根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，最常見的是 X5R、X7R 和 Y5V。我從不使用Y5V，因?yàn)樗鼈冊诃h(huán)境條件下的電容變化非常大。

電容器公司在開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，會選擇具有特性的材料，使電容器能夠在指定的溫度范圍內(nèi)（第 3 個(gè)字符和第 1 個(gè)字符）在指定的變化（第 2 個(gè)字符）內(nèi)運(yùn)行。我使用的X7R電容器在?15°C至+55°C的溫度范圍內(nèi)變化不應(yīng)超過±125%。

并非所有 X7R 都是平等的

由于我的RC時(shí)間常數(shù)問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于指定的溫度變化所解釋的問題，因此我必須更深入地挖掘。查看電容器的電容變化與施加電壓的數(shù)據(jù)，我驚訝地發(fā)現(xiàn)電容隨我設(shè)置的條件而變化的程度。我選擇了一個(gè)16V電容來工作在12V偏置下。數(shù)據(jù)手冊表明，在這些條件下，我的4.7μF電容通?？商峁?.5μF的電容！現(xiàn)在這解釋了我的RC電路遇到的問題。

數(shù)據(jù)手冊顯示，如果我將電容尺寸從0805增加到1206，在這些條件下的典型電容將為3.4μF。這需要進(jìn)行更多的調(diào)查。

我發(fā)現(xiàn)村田制作所和TDK的網(wǎng)站有漂亮的工具，可以繪制電容器在不同環(huán)境條件下的變化。我研究了各種尺寸和額定電壓的4.7μF電容器。圖1顯示了我從村田制作所工具中提取的幾種不同4.7μF陶瓷電容器的數(shù)據(jù)。我研究了 X5R 和 X7R 類型，封裝尺寸從 0603 到 1812，額定電壓從 6.3V?直流至 25V直流.

圖1.部分 4.7μF 電容器的電容變化與直流電壓的關(guān)系。

首先，請注意，隨著封裝尺寸的增加，電容隨施加的直流電壓而變化會減小，而且會大幅減小。

第二個(gè)有趣的一點(diǎn)是，在封裝尺寸和陶瓷類型中，電容器的額定電壓似乎通常沒有影響。我原本以為在相同偏置下，在25V下使用12V額定電容器比16V額定電容器的變化更小。查看 5 封裝中 X1206R 的走線，我們看到 6.3V 額定值部分確實(shí)比額定電壓更高的兄弟姐妹性能更好。如果我們查看更廣泛的電容器，我們會發(fā)現(xiàn)這種行為很常見。我正在考慮的一組電容器樣本不像一般的陶瓷電容器那樣表現(xiàn)出這種行為。

第三個(gè)觀察結(jié)果是，對于相同的封裝，X7R 始終具有比 X5R 更好的電壓靈敏度。我不知道這是否普遍適用，但在我的調(diào)查中似乎確實(shí)如此。

利用該圖的數(shù)據(jù)，表2顯示了X7R電容在12V偏置下下降的程度。

隨著我們向更大的電容器尺寸發(fā)展，我們看到穩(wěn)步改進(jìn)，直到達(dá)到 1210 尺寸。超過這個(gè)規(guī)模不會產(chǎn)生任何改善。

就我而言，我為4.7μF X7R選擇了最小的可用封裝，因?yàn)槌叽缡俏业捻?xiàng)目的一個(gè)問題。在我的無知中，我假設(shè)任何X7R都與任何其他X7R一樣有效 - 顯然，事實(shí)并非如此。為了獲得適合我的應(yīng)用程序的性能，我不得不使用更大尺寸的封裝。

選擇合適的電容器

我真的不想去1210包。幸運(yùn)的是，我可以自由地將所涉及的電阻值增加約5倍，從而將電容降低到1.0μF。 圖2顯示了幾個(gè)16V、1.0μF X7R電容與其4.7μF、16V、X7R表親的電壓行為。

圖2.性能與 1.0μF 電容器相比為 4.7μF 的電阻。

0603 1.0μF電容的行為與0805 4.7μF器件大致相同。0805 和 1206 1.0μF 電容器的性能略好于 1210 4.7μF 尺寸。通過使用0805 1.0μF器件，我能夠保持電容尺寸不變，同時(shí)在偏置下電容僅降至標(biāo)稱值的85%左右，而不是標(biāo)稱值的30%左右。

但還有更多的東西需要學(xué)習(xí)。我還是一頭霧水。我的印象是所有 X7R 電容都應(yīng)該具有相似的電壓系數(shù)，因?yàn)槭褂玫碾娊橘|(zhì)是相同的，即 X7R。我聯(lián)系了一位同事和陶瓷電容器專家1，他解釋說，有許多材料符合“X7R”的條件。事實(shí)上，任何允許器件達(dá)到或超過X7R溫度特性的材料，在-15°C至+ 55°C的溫度范圍內(nèi)±125%，都可以稱為X7R。他還解釋說，X7R或任何其他類型的電壓系數(shù)沒有規(guī)格。

這一點(diǎn)非常重要，所以我將重復(fù)一遍。供應(yīng)商可以將電容器稱為X7R（或X5R或任何其他類型），只要它符合溫度系數(shù)規(guī)格，無論電壓系數(shù)有多差。

作為一名應(yīng)用工程師，這一事實(shí)只是強(qiáng)化了任何有經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用工程師都知道的古老格言（雙關(guān)語）：“閱讀數(shù)據(jù)表！

由于電容器供應(yīng)商制造的元件越來越小，他們不得不在使用的材料上妥協(xié)。為了在更小的尺寸中獲得所需的容積效率，他們不得不接受更差的電壓系數(shù)。當(dāng)然，信譽(yù)較好的制造商會盡最大努力將這種權(quán)衡的不利影響降至最低。因此，當(dāng)使用小型封裝或任何元件的陶瓷電容器時(shí)，閱讀數(shù)據(jù)手冊非常重要。遺憾的是，通?？捎玫臄?shù)據(jù)手冊是縮寫的，并且很少包含此類信息，因此您可能需要向制造商索取更詳細(xì)的信息。

那些我斷然拒絕的Y5V呢？對于踢，讓我們檢查一個(gè)常見的Y5V電容器。我不會確定這部分的供應(yīng)商，因?yàn)樗⒉槐热魏纹渌?yīng)商的Y5V差。我選擇了4封裝中額定電壓為7.6V的3.0603μF電容，并查看了5V和+85°C下的規(guī)格。 在 5V 電壓下，典型電容比標(biāo)稱值低 92.9%，即 0.33μF。沒錯(cuò)。將這個(gè)額定電壓為 6.3V 的電容器偏置為 5 伏，將導(dǎo)致電容比標(biāo)稱值小 14 倍。在+85°C和0V偏置時(shí)，電容降低了68.14%，從4.7μF降至1.5μF。現(xiàn)在，您可能期望這會將 5V 偏置下的電容從 0.33μF 降低到 0.11μF。幸運(yùn)的是，這兩種效應(yīng)不會以這種方式結(jié)合在一起。在這種特殊情況下，5V偏置時(shí)的電容變化在室溫下比在+85°C時(shí)更嚴(yán)重。 需要明確的是，當(dāng)該器件處于0V偏置時(shí)，電容從室溫下的4.7μF下降到+1°C時(shí)的5.85μF，而在5V偏置下，電容隨溫度從室溫下的0.33μF增加到+0°C時(shí)的39.85μF。 這應(yīng)該讓您相信您確實(shí)需要仔細(xì)檢查組件規(guī)格。

結(jié)論

由于這一課，我不再只是向同事或客戶指定X7R或X5R電容器。相反，我指定了來自我已檢查其數(shù)據(jù)的特定供應(yīng)商的特定部件。我還警告客戶在考慮生產(chǎn)中的替代供應(yīng)商時(shí)檢查數(shù)據(jù)，以確保他們不會遇到這些問題。

正如您可能已經(jīng)推測的那樣，這里更大的教訓(xùn)是“閱讀數(shù)據(jù)手冊”，每次都沒有例外。當(dāng)數(shù)據(jù)手冊中沒有包含足夠的信息時(shí)，請要求提供詳細(xì)數(shù)據(jù)。還要記住，陶瓷電容器類型名稱，如X7R、X5R和Y5V，與電壓系數(shù)無關(guān)。工程師必須檢查數(shù)據(jù)，才能真正知道特定電容器在電壓下的性能。