转载--21ic电子网2021-03-04 17:25
电子元器件之一的电容器种类繁多，而陶瓷电容器使用最多，没有一种，因此硬件工程师必须熟练掌握其特性。
作为一名工作多年的硬件工程师，笔者结合自己的经验，总结了本文档信息，总结了硬件设计需要掌握的重点和难点。通过写文档，目的是使他们的知识更系统，回顾过去，了解新事物，但也希望帮助读者，我们一起学习和进步。
两个相互靠近的导体中间夹有一层不导电的绝缘介质，形成电容器。当电容器的两个极板之间增加电压时，电容器将储存电荷。
电容器的电容等于导电板上的电荷与两个极板之间的电压之比。法拉是电容的基本单位(F)。字母通常用于电路图中C表示电容元件。
电容量公式：
：两极板间介质介电常数
S：两极板之间的正对面积
k：静电常数等于k=8.987551×10^9N·m^2/C^2
d：两极板之间的距离
简化公式为：
有三种方法可以使电容量大：
①使用介电常数高的介质
②增加极板间的面积
③减小极板之间的距离。
MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）它是片式多层陶瓷电容器的英文缩写。它是由印刷电极（内电极）的陶瓷介质膜组成的，通过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，然后在芯片两端密封金属层（外电极），形成类似于独石的结构，也称为独石电容器。
可以看出，内部电极增加了电容两极板的面积，从而增加了电容。
陶瓷介质是内部填充介质。由不同介质制成的电容器具有不同的特性，如容量大、温度特性好、频率特性好等，这也是陶瓷电容器种类繁多的原因。
电容器的基本单位是：F除此之外，还有法律μF（微法）、nF、pF由于电容，(皮法)F容量很大，所以我们通常看到μF、nF、pF单位，单位F的单位。
它们之间的具体转换如下：
1F＝1000000μF
1μF=1000nF=1000 000pF
常用陶瓷电容范围：0.5pF~100uF。
陶瓷容量值的实际生产也是离散的，常用电容量如下表所示：
陶瓷电容从0.5pF起步可以达到1000uF，而且容量会因电容包装(尺寸)而异。
购买电容器不能盲目选择大容量，选择合适的是正确的，例如0402电容器可以达到10uF/10V，0805的电容器可以达到47uF/10V，但是为了采购好，成本低，一般不会选择电容
一般推荐0402选4.7uF-6.3V，0603选22uF/6.3，0805选47uF/6.3V，其它更高的耐压性需要相应地降低容量。
在满足要求的情况下，选择主要取决于是否常用，价格是否低。
常见的陶瓷电容额定电压有：2.5V、4V、6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、450V、500V、630V、1KV、1.5KV、2KV、2.5KV、3KV等等。
由于其主要极化类型不同，同一介质类型对电场变化的响应速度和极化率也不同。相同体积下的容量不同，电容器的介质损耗和容量稳定性也不同。介质材料根据容量的温度稳定性可分为两类，即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ陶瓷电容器，NPO属于Ⅰ等等X7R、X5R、Y5V、Z5U等都属于Ⅱ类陶瓷。
MLCC陶瓷电容器主要分为两类：高节介电常数型和温度补偿型
国内：风华FH、宇阳科技EYANG、信昌电陶PSA、三环CCTC等等。村田muRata、松下PANASONIC、三星SAMSUNG、太诱TAIYO YUDEN、TDK、威世VISHAY、国巨YAGEO等等。4.5
电容器作为基本部件之一，实际生产的电容器并不理想，会有寄生电感效串联电阻。同时，由于电容器两极板之间的介质不是绝对绝缘的，因此存在较大的绝缘电阻。
因此，实际电容模型如下图所示：
根据上述电容模型，我们可以得到电容器的复阻抗公式：
实际陶瓷电容器的绝缘电阻非常大，是兆欧姆级的，所以R简化公式远大于：
其中，容抗、感抗和等效串联电阻。很容易看出，当频率相对较低（相对较小）时，容抗远大于感抗。电容器主要具有成容性。当频率较高时，电容器主要具有感性。
当，即谐振时，阻抗等于等效串联电阻，阻抗达到最小值，如果用于过滤，效果最好。
某村田10uF如下图所示：
请注意，该坐标系为对数坐标系，纵轴为复阻抗模。
从上一节可以看出，电容在谐振频率处阻抗最低，滤波效果最好，那么各种规格的电容的谐振频率是多少呢？
下图是村田常用电容的谐振频率表：
频率曲线如下图：
从上小节可以看出，陶瓷的等效串联电阻并不是恒定的，它是跟频率有很大的关系。上述10uF电容在100hz的时候，ESR是3Ω，在700Khz的时候达到最小，ESR是3mΩ，相差了1000倍，是非常大的。
我们非常关心陶瓷电容的ESR到底是多大，特别用在开关电源的时候，需要用来计算纹波的大小。那么各中电容型号的ESR是多少呢？
下图为村田普通电容的ESR表。
ES频率曲线如下图：
相对于电阻的精度来说，电容的精度要低很多，以下是一般电容的精度。
同一类型的电容精度一般厂家会生产2~4种精度的档次共选择。
| NP0（C0G）(0.5pF~4.9pF) |
B(±0.1pF); C(±0.25pF) |
| NP0（C0G）(5.0pF~9.9pF) |
D(±0.5pF) |
| NP0（C0G）(≥10pF) |
F(±1%), G(±2%), J(±5%),K(±10%) |
| X7R |
J(±5.0%)；K(±10%)；M(±20%)； |
| X5R |
J(±5.0%)；K(±10%)；M(±20%)； |
| Y5V |
M(±20%)；Z(-20%,+80%) |
不同类型的电容的工作温度范围是不同的、并且其容量随温度的变化也不同，相差非常大，如下表
| C0G(NP0) |
-55~125℃ |
0±30ppm/℃ |
| X7R |
-55~125℃ |
±15% |
| X6S |
-55~105℃ |
±22% |
| X5R |
-55~85℃ |
±15% |
| Y5U |
-30~85℃ |
+22%/-56% |
| Y5V |
-30~85℃ |
+22%/-82% |
| Z5U |
10~85℃ |
+22%/-56% |
| Z5V |
10~85℃ |
+22%/-82% |
在设计电路的时候，需要考虑不同电容的温度系数，按照使用场景选择符合要求的电容。在一些对电容容量由要求的地方，就不能选择Y或者Z系列的电容。
陶瓷电容的另外一个特性是其直流偏压特性。
对于在陶瓷电容器中又被分类为高诱电率系列的电容器(X5R、X7R特性)，由于施加直流电压，其静电容量有时会不同于标称值，因此应特别注意。
例如，如下图所示，对高介电常数电容器施加的直流电压越大，其实际静电容量越低。
容值越高的电容，直流偏压特性越明显，如47uF-6.3V-X5R的电容，在6.3V电压处，电容量只有其标称值的15%左右，而100nF-6.3V-X5R的电容容值为其标称值的，如下图。
那么，DC偏压特性的原理是怎样的呢？
陶瓷电容器中的高诱电率系列电容器，现在主要使用以BaTiO3 (钛酸钡) 作为主要成分的电介质。
BaTiO3具有如下图所示的钙钛矿（perovskite）形的晶体结构，在居里温度以上时，为立方晶体（cubic），Ba2+离子位于顶点，O2-离子位于表面中心，Ti4+离
子位于立方体中心的位置。
上图是在居里温度（约125℃）以上时的立方晶体（cubic）的晶体结构，在此温度以下的常温领域，向一个轴（Ｃ轴）延长，其他轴略微缩短的正方体（tetragonal）晶体结构。
此时，作为Ti4+离子在结晶单位的延长方向上发生了偏移的结果，产生极化，不过，这个极化即使在没有外部电场或电压的情况下也会产生，因此，称为自发极化（spontaneous polarization）。像这样，具有自发极化，而且可以根据外部电场转变自发极化的朝向的特性，被称为强诱电型（ferro electricity）。
与单位体积内的自发极化的相转变相同的是电容率，可视为静电容量进行观测。
当没有外加直流电压时，自发极化为随机取向状态，但当从外部施加直流电压时，由于电介质中的自发极化受到电场方向的束缚，因此不易发生自发极化时的自由相转变。其结果导致，得到的静电容量较施加偏压前低。
这就是当施加了直流电压后，静电容量降低的原理。
此外，对于温度补偿用电容器 (CH、C0G特性等) ，以常诱电性陶瓷作为主要原料，静电容量不因直流电压特性而发生变化。
陶瓷电容绝缘电阻比较大，漏电流小。
绝缘电阻主要与容量有关，容量越大，漏电流越大，下面列出村田的几种普通电容的绝缘电阻表格，可供参考。
| 10pF_CH_0603_50V |
≥10000MΩ |
≤0.005uA |
| 100pF_C0G_0603_50V |
≥10000MΩ |
≤0.005uA |
| 1nF_X7R_0603_50V |
≥10000MΩ |
≤0.005uA |
| 10nF_X7R_0603_50V |
≥10000MΩ |
≤0.005uA |
| 100nF_X7R_0603_50V |
≥500MΩ |
≤0.1uA |
| 1uF_X7R_0603_25V |
≥50MΩ |
≤0.5uA |
| 10uF_X5R_0603_10V |
≥5MΩ |
≤2uA |
| 47uF_X5R_0805_6.3V |
≥1.06MΩ |
≤5.94uA |
尽管陶瓷电容的漏电流不大，但是大电容的电容量也达到了微安级别，如果是做超低功耗的产品的话，也需要好好选择一些绝缘电阻大的电容
陶瓷电容最坑的失效就是短路了，一旦陶瓷电容短路，产品无法正常使用，危害非常大，那么造成短路失效的原因是什么呢？
答案是机械应力、机械应力会产生裂纹，从而是电容容量变小或者是短路。
为什么会产生扭曲裂纹呢？这是由于贴片是焊接在电路板上的。对电路板施加过大的机械力、使得电路板弯曲或老化，从而产生了扭曲裂纹。
扭曲裂纹从下面的外部电极的一端延伸到上面的外部电极的话，容量就会下降，使得电路呈现出开路状态（开放）。因此，即使裂纹不是十分严重，如果到达贴片内部电极，焊剂中的有机酸和湿气会通过裂纹的缝隙侵入，导致绝缘电阻性能降低。另外，电压负荷会变高，电流的流量过大时，最糟糕的情况会导致短路。
一旦出现了扭曲裂纹，是很难从外面将其去除的，因此为了防止裂纹的产生，应当控制不要施加过大的机械力。
一般电容封装越大，越容易产生机械应力失效。
那么，常见会出现应力的行为有哪些呢？
①贴片原因：贴片机拾取电容力度过大，施力点不在中心，电容不平都可能碰坏电容。
②过量焊锡：当温度变化时，过度的焊锡在贴片电容器上面产生很高的张力，从而是电容器断裂，焊锡不足时又会使电容器从PCB上剥离。
③PCB弯曲：焊接到PCB板上后，PCB弯曲，拉动瓷片电容，过应力后损坏。
④跌落、碰撞：PCB/成品跌落导致振动或变形，使电容受到机械应力。
⑤手工焊接：突然加热或冷却导致张力比较大（解决办法是先预热）
电容放置方向平行于PCB弯曲方向，放置位置远离PCB大形变位置。避免电容在长边受力，如下图，右边的电容摆放就就左边要好。
下图PCB拼板，受力大小是：A>B、A>B、A>C、A>D
电容也需要远离螺丝孔、减小应力。
一般温度特性为X5R/B，X7R/R的高介电常数陶瓷电容器中，电介质材料使用强介电性的钛酸钡系的陶瓷，具有压电效应。
在施加交流电压时，独石陶瓷电容器贴片会发生叠层方向伸缩。因此电路板也会平行方向伸缩，而因电路板的振动而产生了噪声。贴片及电路板的振幅仅为1pm～1nm左右，但发出的声响却十分大。
其实几乎无法听到电容器本身发出的噪声，但将其安装于电路板后振动会随之增强，振幅的周期也达到了人耳能够听到的频率带(20Hz～20kHz)，所以声音可通过人耳进行识别。例如可听到"ji----"、"ki----""pi----"等声响。
陶瓷电容器的"啸叫"现象，其振动变化仅为1pm～1nm左右，为压电应用产品的1/10至几十分之一，非常之小，因此我们可以判断这种现象对独石陶瓷电容器本身及周围元器件产生的影响，不存在可靠性问题。