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MLCC选择标准——不要盲目依靠工具选择元器件

2021-09-30 Jürgen Geier,陶瓷电容器技术支持,儒卓力 阅读:
小型化一直是多层陶瓷片式电容器(MLCC)产品的热门趋势。但缩小尺寸并非易事,特别是需要考虑到许多临界条件。虽然数字工具可以为用户提供很多的协助,但如果用户完全依赖这些工具,住往会忽略一些关键的技术问题。

多层陶瓷片式电容器(MLCC)的体积很小,有利于实现小型化。然而,考虑ESD保护、EM干扰和热管理等因素,以及与这些因素相关的典型特性和漂移,也是很重要的。虽然越来越多的开发人员使用数字工具来简化选择元器件的过程,但仍然需要考虑到上述各个方面,才能够快速实现设计目标并避免不必要的重复设计。nOAednc

首先,建议用户在缩小尺寸时,不要简单地沿用MLCC的现值组合,尤其是在电容(C值)和电压方面,而是要根据应用的实际需求甚至单个元器件的功能来做出决定。理想情况下,应当考虑供应商的首选型款。除了C值和电压外,其他的重要数值还包括阻抗和等效串联电阻(ESR)。nOAednc

特别是对于高电容(hi-cap)器件,即C值以μF为单位的MLCC产品,其直流偏置效应也是需要考虑的重要因素。直流偏置是基于施加的直流电压而导致电容降低的效应。在额定电压下,电容有可能下降到标称值的20%左右,具体数值取决于元器件,因此在操作期间必须注意绝对最小C值。nOAednc

图1显示了多个直流偏置曲线示例,表明使用较小的元器件可使直流偏置率提高很多。nOAednc

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1:较小结构MLCC具有较高的直流偏置率(片来:村田)nOAednc

影响直流偏置性能的另一个因素是工作温度,如图2的图表所示,对于标称值较高的较小结构MLCC电容,直流偏置的剩余电容和温度远远高于标称值较低的较大结构MLCC电容。nOAednc

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2:相比较大结构电容,较小结构电容具有更高的剩余电容。(图片来源:村田)nOAednc

在针对标C值MLCC进行分级时,开发人员应根据基本指导数值(表1至3)进行选择,这表示,在理想情况下应仅使用具有标准容差的首选数值。事实上,用户已经不用再关注Z5U和Y5V陶瓷类型电容了,因为这类器件逐渐停产,实际上有些已经停产了。nOAednc

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1:电容分级nOAednc

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2:容差代码nOAednc

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3:首选MLCC参数组合(电容> 1μF:首选E3系列)nOAednc

除了直流偏置问题外,二类陶瓷电容器(如 X7R 和 X5R)还需要考虑温度漂移和老化问题。nOAednc

使用表4可以比较容易确定温度漂移。例如,这个表格显示X5R MLCC在–55°C至+85°C的温度范围内具有±15%的可预测温度漂移。nOAednc

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4:不同MLCC器件的温度漂移(图片来源:三星)nOAednc

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3:将MLCC放置在非常高的温度下一段时间之后,可以逆转老化效应。(图片来源:三星)nOAednc

MLCC——它们也会老化

老化现象会导致MLCC的电容值随着时间的推移而损失,在每个对数尺度差距(per logarithmic decade)下的损失大约在1%到6%之间,这意味着我们可以按此估算1小时后、10小时后、100小时后的电容数值损失,依此类推。因此,MLCC的C值越高且内层越薄,MLCC就越容易老化。也就是说,与直流偏置和温度漂移的影响相比,老化基本上是可以忽略不计的因素,尽管它在测量用于容差测试的C值时发挥关键作用。nOAednc

与生物的老化不同,MLCC器件的老化是可逆转的。适当的加热处理可以逆转老化效应。为了实现去老化,MLCC元器件通常会放置在+150°C温度下1小时,然后静置24小时。电焊操作也可以去老化。nOAednc

从整体来看各种C值漂移,很明显应该提倡使用标称容差范围为±10%的二类电容器, 而不是标准容差范围为±5%的,即使一些供应商仍然提供和交付标准容差范围为±5%的电容产品。这会引起对于是否遵守容差范围的无意义辩论。在测量过程中,用户经常无法满足有关测量设备和测量条件的要求。例如测量电压(通常定义为1.0 V的有效值)在测量过程中出现下降,从而导致显示的电容值过低。 nOAednc

最好根据电压要求留有余地

指定电压通常是直流电压(即使没有明确标示)。如果该数值为交流电压则会标明,例如“250 V AC”。供应商通常会在其详细数据表或规格/应用信息中提供其他的详细信息,例如与纹波电流或峰峰值相关的信息。需要注意的是,具有相同C 值但介电强度更高(不考虑可预测性或错误率方面)的MLCC往往具有更厚的内层,从而减弱了直流偏置效应。nOAednc

也就是说,一些供应商继续为目前支持50 V电压的电容器提供较低电压规格。 在这两种情况中,规格超过电压要求都不是问题,例如,对于16V电压要求,可以使用指定规范电压为25 V或50 V的MLCC电容器。nOAednc

除了此处考虑的基本参数外,在选择MLCC元器件时还有许多其他方面的因素,例如,取决于应用和使用领域的所需质量水平或特性。此类特性可能包括汽车等级要求(通常符合AEC-Q200标准)或软端接要求(也称为flexiterm、抗挠裂、树脂外部电极和聚合物端接,以及其他类似表达),可以防止在弯曲PCB时形成明显可见的裂缝(图 4)。nOAednc

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4:具有特定属性的MLCC可以满足特殊要求(片来:村田)nOAednc

实现小型化的动力

小型化背后的动机还有其他含义;虽然业界一直推动现代电子产品提供越来越多的性能以满足要求,这日益限制了PCB上的空间,然而,现今推动小型化的主要因素更有可能是供货和成本效益(图5),尤其是在供应商之间。对于开发人员来说,这意味着他们越来越需要适应供应商的步伐,如果他们想保持灵活性和成本效益,就必须留出足够的余地,以便在需要时可找到替代品,而双来源采购是实现这一目标的关键。在充满挑战的市场条件下尤其如此,这种情况总是会出现,即使只是暂时的。nOAednc

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5:各种结构尺寸MLCC电容的成本效益比较(片来:威世)nOAednc

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