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深入了解电容(三):陶瓷电容MLCC

陶瓷电容MLCC 简介 最常见的陶瓷电容器通常是多层陶瓷电容器MLCC,如下图:

MLCC温度特性差异很大,EIA Class I二氧化钛(TiO2)其温度变化系数特别小。EIA Class II高介电常数型MLCC用钛酸钡(BaTiO3),其温度系数很大。

优点 无极性 价格便宜 体积小,可实现01005包装。 容积率大,适用于小型电子产品。Class1类电容具有良好的温度特性。 数绝缘电阻GΩ漏电流很小。ESR铝电解电容小于钽电容,是mΩ水平,有明显的谐振点,如下图:

缺点 容积率小,容量无钽电容,铝电解电容大 非Class1类电容随温度变化较大。 韧性差,挤压容易断裂。 MLCC电容特性随着施加高介电常数陶瓷电容器的容值DC电压或AC电压值得改变,下图为村田0.1uF,0201封装,MLCC电容特性。

这种现象是钛酸钡铁电体的高介电常数(Class2)片状多层陶瓷电容器的独特现象,导电聚合物铝电解电容器(聚合物AI)导电聚合物钽电解电容器(聚合物电解电容器(聚合物电解电容器)Ta)、薄膜电容器(Film)、片状多层陶瓷电容器用于氧化钛和锆酸钙系顺电体的温度补偿(MLCC)这种现象几乎不会发生在上面。如下图所示:

当向钛酸钡铁电体施加直流电压时,电场小时,电位移(D)与电场(E)成正比,但随着电场的增加,原本方向混乱的自发极化(Ps)沿电场方向排列整齐,显示介电常数很大,实际静电容量值增加。随着电场的进一步增强,介电常数变小,实际静电容量值变小(见图2)。 因此,在在选择多层陶瓷电容器时,请不要完全根据产品目录中记录的静电容量进行选择。直流电压成分必须应用于适用的电源(信号)线,以确定静电容量,掌握实际静电容量值。然而,这种直流偏置特性施加的直流电压成分越低,静电容量越小。最近,市场上出现了突破1V电源电压(直流电压)工作FPGA和ASIC等半导体芯片。如果在该芯片的电源线上使用多层陶瓷电容器,则不会出现明显的直流偏置问题。

电容量随频率而变化:

如下图所示:

如何正确测量电容,请参考本文的最终连接。以下是几点:

测试前必须校准设备,特别是在测量小容量和小包装电容器时。 ALC (Automatic Level Control )打开并确认测量时DC偏压是否符合原厂要求。 若测量值小于标称值,则可能是电容器放置时间长、老化所致。高诱电陶瓷电容器的主要成分是钛酸钡(BaTiO3)。随着时间的推移,这一系列电容器的静电容量变小。这种现象称为静电容量的老化特性。将老化的电容器加热到居里点(温度,钛酸钡一般为130℃大约)以上,钛酸钡的结晶将重塑,电容量恢复到原值,然后开始下一次老化,因此加热后可以恢复老化减少的静电容量。 MLCC的温度特性 一般来说,电容器的静电容量会随着使用温度的变化而变化。变化范围越小,温度特性越好;范围越大,温度特性越差。当电容器用于高温汽车发动机室内或南极等寒冷地区的电子设备时,必须考虑其设计环境条件。 参考国际电工技术委员会(IEC)和美国电子工业联合会(EIA)标准,根据陶瓷电容值随温度变化的规律,对陶瓷电容进行了分类,标准如下:

EIA Class I EIA标准等级代码解释:

温度系数的计算公式是:温度系数代码x倍乘因数代码(ppm/K)±容差随温度变化而变化(ppm/K)。常见规格如下,如 C0G电容(使用了二氧化钛与锆酸钙类电介质材料,其静电容量对温度几乎呈现直线性变化)的温度漂移是±30ppm/K,U2J温度系数为-750±120ppm/K。 1nF,0201,C0G电容温度曲线:

IEC标准代码解释:

NP0是Negative Positive Zero缩写表示温度系数为零浮电容器,这也是美国军事标准的说法,其特点和C0G几乎一样。 下面是KEMET C0G和U2J本系列产品的介绍与上表对应。

  3.3.2 EIA Class II EIA标准等级代码解释:

例如常见的X7R电容,工作温度是-55~125℃,在整个温度范围内容值变化±15%。 1nF,0201,X7R电容温度特性曲线:

 

  除了X7R,常见的Class2电容规格如下: X8R (-55/+150, ΔC/C0 = ±15%) X7R (-55/+125 °C, ΔC/C0 = ±15%) X6R (-55/+105 °C, ΔC/C0 = ±15%) X5R (-55/+85 °C, ΔC/C0 = ±15%) X7S (-55/+125, ΔC/C0 = ±22%) Z5U (+10/+85 °C, ΔC/C0 = +22/−56%) Y5V (-30/+85 °C, ΔC/C0 = +22/−82%) ICE标准代码解释:

 

在一些情况下,EIA代码跟IEC/EN代码可以对应起来的,可能会有些微小的变化,但一般可以接受。下面是一些对应: X7R 与2X1相似; Z5U 与2E6相似; Y5V 与2F4相似;区别: Y5V(ΔC/C0 = +30/-80%),2F4(ΔC/C0 = +30/-80%) X7S 与2C1相似;区别: X7S(ΔC/C0 = ±20%),2C1(ΔC/C0= ±22%) X8R 没有与之相似的IEC/EN 代码。 下面是KEMET X7R的介绍资料,与上述表格是对应的。

村田电容器温度特性标准 欧美企业准守EIA标准,村田准守日本的JIS标准,两者的对应关系如下:

 

 

村田MLCC不同容值的谐振点

3.5 不同种类MLCC特点

 

 

备注: 1.测试条件25℃,1MHz,1Vrms,≤1nf或者1KHz,1Vrms,大于1nF 2.整个温度范围内的容值变化。

MLCC常见问题 啸叫 X5R和X7R的高介电常数的电容,由于具有强介电性的陶瓷的电致效应,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。

啸叫的测量方法见如下链接: https://www.murata.com/zh-cn/products/capacitor/mlcc/apps/notepc https://www.murata.com/zh-cn/products/capacitor/mlcc/apps/ta

 

 

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