Vol.1 C0G特性及高耐壓MLCC的特點(diǎn)與替換解決方案

解決指南

Vol.1 C0G特性及高耐壓MLCC的特點(diǎn)與替換解決方案

概要

電子設(shè)備中擁有各類電容器，并分別發(fā)揮著其各自的特性。一般情況下，電容器的電容量與耐電壓（而定電壓）無(wú)法兼顧，且屬于此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，在相同尺寸下，耐電壓提高，則電容量會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。
薄膜電容器擁有高耐電壓，且具備恰到好處的電容量，同時(shí)，由于頻率特性及溫度特性優(yōu)異，因此多用于車載電子設(shè)備、產(chǎn)業(yè)設(shè)備及家電設(shè)備等產(chǎn)品中。
但近年來(lái)，用于溫度補(bǔ)償(種類1)的MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)中，耐電壓與電容量也出現(xiàn)了明顯擴(kuò)大，尤其在諧振電路等用途中，以往一般使用薄膜電容器的領(lǐng)域中也逐漸被MLCC所取代。
TDK開發(fā)的C0G特性·高耐壓MLCC是一款在行業(yè)最高等級(jí)的廣電容量范圍(1nF～33nF)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1000V耐電壓的產(chǎn)品。
以下將通過(guò)C0G特性·高耐壓MLCC的特點(diǎn)與薄膜電容器進(jìn)行比較，并就各種替換的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

目錄

主要電容器特性

在諧振電路中使用C0G特性MLCC的理由

采用導(dǎo)線端子型產(chǎn)品的解決方案

車載等級(jí)MLCC（積層貼片陶瓷片式電容器）CGA系列 C0G特性

主要電容器特性

通過(guò)電介質(zhì)陶瓷材料的不同，MLCC大致可分為種類1(溫度補(bǔ)償用)與種類2(高介電常數(shù)類)。
種類2的MLCC擁有大容量特點(diǎn)，但也存在因溫度的變化導(dǎo)致電容量變化率大的缺點(diǎn)。另一方面，種類1的MLCC雖然無(wú)法達(dá)到高介電常數(shù)類產(chǎn)品的大容量，但由于溫度變化導(dǎo)致的電容量變化率較小，且由于頻率特性優(yōu)異，因此被用于對(duì)精度要求較高的電路等。

鋁電解電容器、薄膜電容器、MLCC（種類1及種類2）等主要電容器的額定電壓-電容量應(yīng)對(duì)范圍如圖1所示。

圖1：各類電容器的額定電壓-電容量的應(yīng)對(duì)范圍

在電容量較大的產(chǎn)品中，種類2的MLCC達(dá)到了電容量為100μF以上的鋁電解電容器所能達(dá)到的容值。此外，種類1的MLCC以往只與少部分薄膜電容器的容值范圍相重疊，但近年來(lái)，隨著高耐壓化與大容量化的發(fā)展，重疊的范圍迅速擴(kuò)大。
薄膜電容器以及MLCC的特性比較如表1所示。

表1：主要電容器特性比較

◎：優(yōu)秀○：良好△：一般

鋁電解電容器的特點(diǎn)在于大容量，而其他特性方面，薄膜電容器以及MLCC更為優(yōu)異。此外，比較薄膜電容器以及種類1的MLCC可發(fā)現(xiàn)，薄膜電容器在小型化方面存在難點(diǎn)，而種類1的MLCC則在大容量化以及提高耐電壓方面存在課題。

種類2的MLCC的電容量隨著溫度的變化也會(huì)產(chǎn)生大幅變化，而種類1的MLCC基本上保持著直線變化。該直線對(duì)于溫度的傾斜度稱為溫度系數(shù)，單位為[ppm/°C]。
JIS標(biāo)準(zhǔn)及EIA標(biāo)準(zhǔn)對(duì)溫度系數(shù)值及其允許差進(jìn)行了分級(jí)。在EIA標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)最為嚴(yán)格的C0G特性MLCC(種類1)中，在-55～+125°C的溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)規(guī)定為0ppm/°C，允許差規(guī)定為±30ppm/°C。
薄膜電容器與MLCC的溫度特性(溫度變化導(dǎo)致電容量變化)如圖2所示。

圖2：C0G特性MLCC與各類電容器溫度特性(溫度變化導(dǎo)致電容量變化)的比較

從圖表中可以看出，相比X7R特性MLCC(種類2)、U2J特性MLCC(種類1)以及各類薄膜電容器，C0G特性MLCC擁有極為穩(wěn)定的溫度特性。

在諧振電路中使用C0G特性MLCC的理由

將電容器的電容量設(shè)為C，線圈電感設(shè)為L(zhǎng)，則電容器與線圈(電感器)相互組合的LC諧振電路的諧振頻率(f)可以用公式f=１／2π√LC表示。從該公式中可以看出，諧振電容器的電容量變動(dòng)將會(huì)引起諧振頻率的變動(dòng)。若諧振頻率一致發(fā)生變化，則應(yīng)傳遞的波形將會(huì)發(fā)生扭曲，從而導(dǎo)致能源傳輸效率降低。
為此，以往在高電壓，且有大電流流經(jīng)的車載電子設(shè)備等諧振電路用途中，會(huì)使用相對(duì)于溫度變化較為穩(wěn)定的薄膜電容器。
同時(shí)，如上述公式所示，諧振頻率越低，則需要電容量越大的電容器。車載電子設(shè)備諧振電路中的諧振頻率設(shè)置在數(shù)10kHz～數(shù)100kHz，因此耐電壓及電容量都很高的薄膜電容器較為適用。
然而，如前所述，由于近年來(lái)，種類1的MLCC耐電壓與電容量的發(fā)展迅猛，將薄膜電容器替換為C0G特性MLCC的生產(chǎn)商不斷增加。這是因?yàn)镸LCC相比薄膜電容器體型更小，通過(guò)高精度的共振來(lái)提高傳送效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)省空間的特點(diǎn)。

《特點(diǎn)》

更高的使用溫度范圍上限
C0G特性的使用溫度范圍上限較高，達(dá)到+125°C，適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的車載電子設(shè)備等。

優(yōu)秀的耐濕性能
具備85℃/85%RH的耐濕性能。

符合AEC-Q200
產(chǎn)品符合車載用電子元件的可靠性試驗(yàn)及認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的世界標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q200。

小型、輕量、SMD型
可在基板上進(jìn)行表面貼裝的小型輕量SMD芯片元件?？蓪?shí)現(xiàn)大幅節(jié)省空間的效果。
雖然與薄膜電容器相比擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但MLCC存在如下特有弱點(diǎn)，因此需要在替換時(shí)注意。

《替換為MLCC的注意》

基板彎曲裂紋等問(wèn)題
因基板彎曲等導(dǎo)致的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊錫開裂，最壞的情況下，電容器本體體會(huì)出現(xiàn)開裂，從而出現(xiàn)短路等不良。

印刷電路板的絕緣距離(沿面距離)問(wèn)題
由于是SMD型小型元器件，因此在印刷電路板表面貼裝的焊盤圖案間隔較窄，施加高電壓后，根據(jù)使用條件與環(huán)境不同，可能會(huì)出現(xiàn)絕緣耐壓不充分的情況。

采用導(dǎo)線端子型產(chǎn)品的解決方案

前述在替換為MLCC時(shí)的注意點(diǎn)可通過(guò)采用導(dǎo)線端子型MLCC(積層帶導(dǎo)線陶瓷電容器)進(jìn)行解決。這是一種徑向引線型電容器，其在MLCC的外部電極上通過(guò)焊錫接合2條導(dǎo)線后再涂布樹脂涂層。
通過(guò)替換為導(dǎo)線端子形產(chǎn)品，除了獲得MLCC獨(dú)有的特性之外，還可以有效解決這些問(wèn)題。

《替換為導(dǎo)線端子型的解決方案》

導(dǎo)線吸收并緩和基板彎曲壓力。

通過(guò)使其變?yōu)閷?dǎo)線端子型，可擴(kuò)大配線圖案間隔，從而確保絕緣耐壓。

圖3：從SMD型產(chǎn)品替換為導(dǎo)線端子型(積層帶導(dǎo)線陶瓷電容器)的解決方案

車載等級(jí)MLCC（積層貼片陶瓷片式電容器）CGA系列 C0G特性

TDK提供車載等級(jí)及CGA系列的中耐壓MLCC(額定電壓100~630V)、高耐壓MLCC(額定電壓1000V以上)等各類MLCC。其中，額定電壓為1000V、溫度特性為C0G特性、電容量為1nF~33nF的產(chǎn)品擁有以下類型。除了磁共振式無(wú)線充電共振電容器之外，在時(shí)間常數(shù)電路、濾波器電路、振蕩電路等在有高精度的要求時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)小型化和SMT化的情況下可以用于替換薄膜電容。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高可靠性，對(duì)于基板彎曲導(dǎo)致的元件體開裂、熱沖擊導(dǎo)致的焊錫開裂以及振動(dòng)等外部環(huán)境因素具有較強(qiáng)耐受性的金屬支架電容及樹脂電極品系列也一應(yīng)俱全。
EV及自動(dòng)駕駛等新一代汽車的發(fā)展關(guān)鍵在于對(duì)電池進(jìn)行高效充電的無(wú)線充電技術(shù)。在磁共振式無(wú)線充電中，諧振電容器的特性與電力傳輸效率息息相關(guān)。實(shí)現(xiàn)耐電壓1000V的TDK的C0G特性·高耐壓MLCC是作為EV無(wú)線充電中的諧振電容器，具備最佳特性的溫度補(bǔ)償用(種類1)MLCC。同時(shí)，由于ESR極低，這也是C0G特性·高耐壓MLCC所不可忽視的重要因素。TDK將通過(guò)擴(kuò)大耐電壓及電容量范圍等方式，進(jìn)一步豐富產(chǎn)品線。

* C0G：–55～+125°C中溫度系數(shù)在0±30ppm/°C以內(nèi)

審核編輯：湯梓紅