片式電容及其應(yīng)用

片式電容及其應(yīng)用

0 引言
??? 片式電容具有容量大，體積小，容易片式化等特點，是當今移動通信設(shè)備、計算機板卡以及家電遙控器中使用最多的元件之一。為了滿足電子設(shè)備的整機向小型化、大容量化、高可靠性和低成本方向發(fā)展的需要，片式電容本身也在迅速地發(fā)展：種類不斷增加，體積不斷縮小，性能不斷提高，技術(shù)不斷進步，材料不斷更新，輕薄短小系列產(chǎn)品已趨向于標準化和通用化。其應(yīng)用正逐步由消費類設(shè)備向投資類設(shè)備滲透和發(fā)展。
??? 此外，片式電容還在朝著多元化的方向發(fā)展：①為了適應(yīng)便攜式通信工具的需求，片式電容器正向低電壓、大容量、超小和超薄的方向發(fā)展。②為了適應(yīng)某些電子整機(如軍用通信設(shè)備)的發(fā)展，高耐壓、大電流、大功率、超高Q值、低ESR型的中高壓片式電容器也是目前的一個重要的發(fā)展方向。③為了適應(yīng)線路高度集成化的要求，多功能復(fù)合片式電容器正成為技術(shù)研究熱點。

1 片式疊層陶瓷介質(zhì)電容器
??? 在片式電容器里用得最多的是片式疊層陶瓷介質(zhì)電容器。
??? 片式疊層陶瓷電容器(MLCC)，簡稱片式疊層電容器(或進一步簡稱為片式電容器)，是由印好電極(內(nèi)電極)的陶瓷介質(zhì)膜片以錯位的方式疊合起來，經(jīng)過一次性高溫燒結(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層(外電極)，從而形成一個類似獨石的結(jié)構(gòu)體，故也叫獨石電容器，如圖1所示。

??? 圖1表明，片式疊層陶瓷電容器是一個多層疊合的結(jié)構(gòu)，其實質(zhì)是由多個簡單平行板電容器的并聯(lián)體。因此，該電容器的電容量計算公式為

??? C=NKA／t
??? 式中，C為電容量；N為電極層數(shù)；K為介電常數(shù)(俗稱K值)；A為相對電極覆蓋面積；t為電極間距(介質(zhì)厚度)。
??? 由此式可見，為了實現(xiàn)片式疊層陶瓷電容器大容量和小體積的要求。只要增大N(增加層數(shù))便可增大電容量。當然采用高K值材料(降低穩(wěn)定性能)、增加A(增大體積)和減小t(降低電壓耐受能力)也是可以采取的辦法。
??? 這里特別說一說介電常數(shù)K值，它取決于電容器中填充介質(zhì)的陶瓷材料。電容器使用的環(huán)境溫度、工作電壓和頻率、以及工作的時間(長期工作的穩(wěn)定性)等對不同的介質(zhì)會有不同的影響。通常介電常數(shù)(K值)越大，穩(wěn)定性、可靠性和耐用性能越差。

常用的陶瓷介質(zhì)的主要成分是MgTiO3、CaTiO3、SrTiO3和TiO2再加入適量的稀土類氧化物等配制而成。其特點是介質(zhì)系數(shù)較大、介質(zhì)損耗低、溫度系數(shù)小、環(huán)境溫度適用范圍廣和高頻特性好，用在要求較高的場合(I類瓷介電容器)中。
??? 另一類是低頻高介材料稱為強介鐵電陶瓷，常用作Ⅱ類瓷介電容器的介質(zhì)，一般以BaTiO3為主體的鐵電陶瓷，其特點是介電系數(shù)特別高，達到數(shù)千，甚至上萬；但是介電系數(shù)隨溫度呈非線性變化，介電常數(shù)隨施加的外電場也有非線性關(guān)系。
??? 目前最常用的多層陶瓷電容器介質(zhì)有三個類型：COG或NPO是超穩(wěn)定材料，K值為10～100；X7R是較穩(wěn)定的材料，K值為2 000～4 000；Y5V或Z5U為一般用途的材料，K值為5 000～25 000。在我國的標準里則分為I類陶瓷(C C 4和CC41)及Ⅱ類陶瓷(CT4和CT41)兩種。上述材料中，COG和NPO為超穩(wěn)定材料，在-55℃～+125℃范圍內(nèi)電容器的容量變化不超過± 30ppm／℃。
??? 其余材料是按其工作溫度的范圍和電容量的變化率來命名的。詳見表1。

???

?? 幾種常用的片式電容器的介質(zhì)材料中：
??? X7R代表使用溫度范圍為-50℃至+125℃；在此范圍內(nèi)的電容量變化可達到±15％。
??? Z5U代表使用溫度范圍為+10℃至+85℃；在此范圍內(nèi)的電容量變化從-56%至+22%。
??? Y5V代表使用溫度范圍為-30℃至+85℃；在此范圍內(nèi)的電容量變化從-82%至+22%。
??? 這些關(guān)系表明，在實際使用時，對片式電容器選擇不能一味只考慮體積和價格，如果有使用的環(huán)境溫度問題，還應(yīng)當注意電容器的介質(zhì)帶來的電容量變化問題。圖2畫出了不同材質(zhì)電容器電容量以及介質(zhì)損耗隨溫度變化的曲線。

??? 下面是不同材質(zhì)電容器的性能和應(yīng)用事項：
??? ①NPO電容器
??? NPO電容器是電容量和介質(zhì)損耗最穩(wěn)定的電容器。它的填充介質(zhì)是由銣、釤和一些其它稀有氧化物組成的。在溫度從-55℃到+125℃時容量變化為0±30ppm／℃，電容量隨頻率及相對使用壽命的變化都非常小。
??? 隨封裝形式不同，其電容量和介質(zhì)損耗隨頻率變化的特性也不同，大封裝尺寸的NPO電容器要比小封裝尺寸的頻率特性好。

NPO電容器適合用于振蕩器、諧振器的槽路電容，以及高頻電路中的耦合電容。
??? ②X7R電容器
??? X7R電容器被稱為溫度穩(wěn)定型的陶瓷電容器。當溫度在-55℃到+125℃時其容量變化為15％，需要注意的是此時電容器容量變化是非線性的。
??? X7R電容器的容量在不同的電壓和頻率條件下是不同的，它也隨時間的變化而變化，但是要比Z5U和Y5V電容器好得多。
??? X7R電容器主要應(yīng)用于要求不高的工業(yè)應(yīng)用，而且當電壓變化時其容量變化是可以接受的條件下。它的主要特點是在相同的體積下電容量可以做的比較大。
??? ③Z5U電容器
??? Z5U電容器稱為“通用”陶瓷片式電容器。它最主要優(yōu)點的是小尺寸和低成本。對于已經(jīng)講過的三種片式電容來說，在同樣的體積下，Z5U電容器具有最大的電容量。但它的電容量受環(huán)境和工作條件影響較大，另外介質(zhì)損耗可以達到3％。
??? 盡管它的容量不穩(wěn)定，但是這種電容器所特有的體積小、等效串聯(lián)電感(ESL)和等效串聯(lián)電阻(ESR)低、以及良好的頻率響應(yīng)等優(yōu)點，使得這種電容器還是獲得了廣泛的應(yīng)用，尤其是在退耦電路的應(yīng)用中。
??? ④Y5V電容器
??? Y5V電容器是一種有一定溫度限制的通用電容器，在-30℃到+85℃范圍內(nèi)其容量變化可以達到+22％至-82％，另外介質(zhì)損耗可以達到5％。但是Y5V的高介電常數(shù)允許在較小的物理尺寸下制造出高達4．7μF的電容器。
??? 下面是用以說明片式電容器性能的主要技術(shù)指標：
??? ①容量與誤差：實際電容量和標稱電容量允許的最大偏差范圍。
??? 常用的電容器其精度等級和電阻器的表示方法相同。用字母表示：D級：±0．5％；F級：±1％；G級：±2％；J級：±5％；K級：±10％；M級：±20％。
??? ②額定工作電壓：電容器在電路中能夠長期穩(wěn)定、可靠工作，所承受的最大直流電壓，又稱耐壓。對于結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、容量相同的器件，耐壓越高，體積越大。
??? ③溫度系數(shù)：在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃，電容量的相對變化值。溫度系數(shù)越小越好。
??? ④絕緣電阻：用來表明漏電大小的。一般小
容量的電容，絕緣電阻很大，在幾百兆歐姆或幾千兆歐姆。電解電容的絕緣電阻一般較小。相對而言，絕緣電阻越大越好，漏電也小。
??? ⑤損耗：在電場的作用下，電容器在單位時間內(nèi)發(fā)熱而消耗的能量。這些損耗主要來自介質(zhì)損耗和金屬損耗。通常用損耗角正切值來表示。
??? ⑥頻率特性：電容器的電參數(shù)隨電場頻率而變化的性質(zhì)。在高頻條件下工作的電容器，由于介電常數(shù)在高頻時比低頻時小，電容量也相應(yīng)減小。損耗也隨頻率的升高而增加。另外，在高頻工作時，電容器的分布參數(shù)，如極片電阻、引線和極片間的電阻、極片的自身電感、引線電感等，都會影響電容器的性能。所有這些，使得電容器的使用頻率受到限制。
??? 在實際使用中，除了要注意環(huán)境溫度變化對電容器電容量變化的影響外，還要注意工作電壓和儲存時間對電容器電容量變化的影響。
??? ①電容器的使用電壓對電容器的電容量有影響，穩(wěn)定性低的介質(zhì)，在施加額定工作電壓后容量會大幅度下降(見圖3)，以至達不到使用效果，這一點在選擇電容器時必須給以充分注意(不能一味追求大容量和小體積，必須在容量和使用電壓上留有充分余地)。

??? ②儲存時間對電容器的容量也有影響，對超穩(wěn)定的電容器，如COG和X7R，隨時間增長電容器容量的變化不大?？墒荶5U／Y5V這類電容，隨時間增長，存放1 000小時的電容量變化可以高達5％～10％，或更大。但是這類電容器容量的老化是可逆的。每次將電容溫度升到125℃，老化過程便重新開始。所以當這類電容器的存放時間超過1000小時后所發(fā)生的容量偏低現(xiàn)象不屬于產(chǎn)品的質(zhì)量問題，其特性是符合國際規(guī)范的。對于容量偏低的電容器的通用解決辦法是，即將電容器放在150℃左右的環(huán)境下預(yù)熱1小時。其電容量就恢復(fù)正常值。

2 片式電容器在設(shè)備電磁干擾抑制中的應(yīng)用
??? 片式電容器在一般電子電路中的主要應(yīng)用有：濾波、耦合、去耦、旁路、諧振、時間常數(shù)(定時)和反饋等等。其中：
??? ①濾波：并聯(lián)在電源電路的正負極之間，把電路中無用的交流去掉(或?qū)⒄骱蟮膯蜗蛎}動電壓中的交流分量濾掉，使單向脈動變成平滑的直流)。
??? ②去耦：并接于電路電源接線的正負極之間，可防止各部分電路通過電源內(nèi)阻引起的相互干擾(嚴重時還會產(chǎn)生寄生振蕩)。
??? ③旁路：并接在電阻兩端或由某點直接跨接至共用電位點，為交直流信號中的交流或脈動信號設(shè)置一條通路，避免交流成分在通過電阻時產(chǎn)生壓降。
??? 片式電容器在設(shè)備中的電磁干擾抑制，實際上只是片式電容器在電路中應(yīng)用的一個方面，只不過為了突出《片式電磁兼容對策器件》中的“對策”作用，才把它專門列成一節(jié)。
??? 上面講到的電源線路濾波和去耦也是設(shè)備電磁干擾抑制應(yīng)用的一部分。此外還有信號線的共模濾波，信號線和電源線的輻射抑制等。
??? 為了使片式電容干擾抑制的效果更加顯現(xiàn)，有時往往還要與片式磁珠和片式電感器結(jié)合起來一起使用?，F(xiàn)時還有一種將電容和電感綜合在一個元件里的片式疊層復(fù)合器件可以供應(yīng)，使得使用更加方便，使用效果也更好。

3 片式電容器的線路形式
??? 1)片式二端電容器
??? 二端形式的片式電容器是使用最普遍的片式電容器，這里以日本村田制作所產(chǎn)品為例給說明。
??? 村田的片式電容器產(chǎn)品極其豐富，有一般的去耦和濾波用電容器(規(guī)格多、容量大，還有排容產(chǎn)品)，以及頻率控制、調(diào)諧和阻抗匹配用電容器(帶溫度補償)，高速和高頻電路去耦用電容器(低電感和低電阻)，中、高壓轉(zhuǎn)換用電容器(高電壓、大容量)，交流電路用電容器(符合安規(guī)要求)以及汽車傳動與安全設(shè)備專用電容器等等。用戶可根據(jù)不同需要予以選擇合適的電容器。

??? 下面是村田制作所的GRM15／18／21／31系列的片式電容器，見圖4：

??? ①GRM18／21／31系列片式電容器適合于波峰及回流焊接；GRM15系列片式電容器只適合回流焊接。
??? ②GRM1 5／18／21／31系列片式電容器備有長×寬×厚度為1．0×0．5×0．5mm至3．2×1．6×1．6mm的多種尺寸可供選用。
??? ③GRM15／18／21／31系列片式電容器的適用電壓包括6．3V、10V、16V、25V、50V、100V。200V和500V等多個等級；根據(jù)使用的介質(zhì)材料分，有COG至Y5V等多種片式電容器可以選擇。
??? ④GRM15／18／21／31系列片式電容器可用在一般用途的電子設(shè)備中。
??? 村田制作所還生產(chǎn)一種排容，在一個器件中有2至4個電容，尤其適合在單片機的總線上使用，見圖5。

??? 2)片式三端電容器
??? 我們平常使用的陶瓷圓片電容器作為旁路電容，可以將高頻干擾短路到地，達到抗干擾的目的。但是電容器的引線電感及電容內(nèi)部的剩余電感卻限制了它的高頻特性發(fā)揮。圖6是普通電容器做高頻旁路時的引線電感影響例。
??? 從圖6中可見，電容器的插入損耗一開始隨頻率增加而增加，直至達到自諧振頻率(等效電感與電容的串聯(lián)諧振)，插入損耗也達到最大值。此后，由于等效電感的感抗增大，使插入損耗開始下降。
??? 為了在高頻時也有較好的旁路作用，必須讓旁路電容的自諧振頻率也較高，所以電容器的引線絕對不能長。另外，旁路電容也不是越大越好，電容大，自諧振的頻點偏低。所以，最好的辦法是通過試驗來選擇合適的電容，盡可能讓要抑制的干擾頻率與自諧振點一致，以便使擔當濾波的電容器帶來的插入損耗為最大。
??? 由于普通的兩端電容有引線電感，所以總的剩余電感較大，自諧振點也比較低。為了改進普通引線式電容器的自諧振、且自諧振頻率偏低的問題，村田制作所曾發(fā)展了一種引線式三端電容器，見圖7。與兩端電容相比，這個電容的上引線化成了兩根(所以三端電容有三根引線)。三端電容器的這兩根上引線化成了信號傳輸線的一部分，于是引線電感與電容器變成了一個“LC”濾波器。正是三端電容器巧妙地利用了引線電感，使得三端電容器對干擾的抑制作用更好。三端電容器也有自諧振問題，為了最大限度地限制這個問題，使用時三端電容器接地的這根引腳的長度應(yīng)該受到限制。

??? 應(yīng)該說片式二端電容器的出現(xiàn)對于改進普通引線式電容器的自諧振問題是很有好處的，因為片式二端電容器的引線長度得到了最大限度縮減。但由于電容器內(nèi)部的構(gòu)造，并不能夠消除內(nèi)部電極的殘留電感，這樣當頻率達到使電容器的容抗XC同殘留電感的XL的絕對值相等時，二端電容依然會產(chǎn)生自諧振，參見圖8。由于自諧振頻率的存在，當噪聲的頻帶超過自諧振頻率之后，噪聲的抑制效果會急速下降。但是與普通有引線的二端電容相比較，還是有很大改進。