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大容量贴片电容如何选型

陶瓷贴片电容(MLCC)由于尺寸、成本和性能方面的优势,在47uH以下,已经成为全面替代贴片钽电容器成为便携式应用产品的理想选择,也因开关频率下的等效串联电阻(ESR)和等效阻抗很低而非常适合于高频应用。低ESR使输出电压纹波被减至*小,低阻抗产生出色的滤波特性。而Y5V类电介质电容的温度系数很差,85°C时可能下降80%,一般不建议用于便携式应用,故本文重点讨论X5R/X7R大容量叠层片式电容器的的选型。设计人员在考虑无源器件时,他们想到的是电感电容的生产容限,一般为±20% 或±10%。这在理论上是对的,但在实际应用中却不然。某一特定频率下,在一个陶瓷电容上加直流偏置电压或在电感上加载电流会改变这些元件的特性,故有 “有源的无源器件(active passives)”之称。例如,一个10μF,0603,6.3V的电容在-30°C下直流偏置1.8V时测量值为4μF。一个3.3μH的电感用在 85°C的实际应用中时测量值为0.8μH。

 图1显示了10μF,6.3V,X5R陶瓷电容外壳尺寸的变化历史。外壳尺寸较小的主要好处在于节省开关的占位面积,降低总体解决方案的高度。目前,主流 移动电话生产商在电话中使用的元件之高度*大限值为1.2mm。随着电话模型越来越纤巧,这个限值将进一步减小。现在的陶瓷电容已能够很好地满足这些要求。

10μF,6.3V,X5R陶瓷电容外壳尺寸的变化
图1:10μF,6.3V,X5R陶瓷电容外壳尺寸的变化 

那么,系统设计人员还需要了解除陶瓷电容之外的东西吗?需要!例如,在选择陶瓷贴片电容的电容值及其外壳尺寸之余,必须考虑到它的直流偏置效应。电容选择不正确可能对系统的稳定性造成严重破坏。直流偏置效应通常出现在铁电电介质(2类)电容中,如X5R、X7R、及Y5V类电容。

陶瓷电容的基本计算公式如下:

C=K×[(S×n)/t]
(这里,C=电容量,K=介电常数,n=介电层层数,S=电极面积,t=介电层厚度)

直流偏置特性曲线对II类大容量贴片电容选型的重要价值:
影响直流偏置的因子有K、介电层厚度、额定电压的比例因子,以及材料的晶粒度。电容上的电场使内部分子结构产生“极化”,引起K常数的暂时改变,不幸的是,电容量不是变大而是变小了。电容的外壳尺寸越小,由直流偏置引起的电容量降量百分比就越大。若外壳尺寸一定,则直流偏置电压越大,电容量降量百分比也越大。系统设计人员 为节省空间用0603电容代替0805电容时,必须相当谨慎――除非用预定类型的电容对转换器进行了测试。规格说明书中推荐的是0603贴片电容。

图2所示为在某典型便携式应用产品的使用环境温度范围内,直流偏置对几种不同电容的影响。查看图中的直流偏置特性,可看到,风华高科生产的 10μF,6.3V 0603叠层陶瓷片式电容在1.8V 直流偏置及-30°C下的电容量值为5.75μF。需注意电容器和电容量之间的区别。电容量是从应用的角度看到的电容的实际值。厂商C生产的相同电容器在 同样条件下的电容量值为3.5μF。事实上,风华高科的4.7μF电容差不多与厂商C的10μF电容一样好。

图2:直流偏置对几种不同电容的影响
图2:直流偏置对几种不同电容的影响

因此,请务必记住在选型过程中,应该向贴片电容厂商或者风华电容代理商南京南山(www.023bzgsw.com)索取在应用的预定直流偏置电压下的电容值曲线。例如,采用2.5V输出电压时,系统设计人员必须查看2.5V时的直流偏置。使开关稳定性优秀的电容值可在开关的规格说明书中查到。在确定用于便携式电源解决方案材料清单(BOM)的电容双重来源时,厂商间的差异也必须考虑到。

上述决策不应该留给采购人员,除非他们能给出很好的建议。贴片电容器生产商往往喜欢出示单独的曲线,如电容量随温度的变化曲线,另一条是电容量随直流偏置的变 化曲线。不过,他们不会同时给出两条,但实际应用恰恰需要两条。应该记住向生产厂商索要系统常用电压的综合曲线。例如,基带内核微处理器的常用电压有 1.3V、1.5V和1.8V。I/O和硬盘驱动器使用1.8V、2.5V或3.3V。RF功率放大器电源的输出电压范围为0.8 到3.4V。选择输入电容时,必须考虑到输入电压范围。对锂离子电池而言,这个范围为3 到 4.3V,当插入充电器时,可高达5.5V。

阻抗/ESR与频率的关系曲线对贴片电容选型的意义:

从系统的角度来看阻抗/ESR与频率的关系曲线也很重要。用于2MHz开关的电容可能并不适合于5MHz开关。开关设计中,电容的谐振频率是一关键规格参数。当开关频率接近输出电容的谐振频率时,输出电压纹波*小。例如,4.7μF和10μF 0603电容的谐振频率范围都为2 到 3MHz。但1μF 0603电容的谐振频率在6MHz左右,1μF 0402电容的近10MHz。工作频率高于谐振频率时,阻抗实际上是电感性的。如果没有正确的补偿,将产生稳定性问题,且开关的纹波增加。后但并非不重 要的是,陶瓷电容的生产容限是在1 kHz频率、1V rms或0.5V rms电压下规定/测试的,但实际应用的条件差异非常大。在较低的rms电压下,电容额定值要小得多。对一个典型的开关,纹波电压范围为5到30mV。如果您正对风华贴片电容选型有疑问,可以直接致电400-888-5058转技术部寻求专业帮助。

本文转自 SMD资源网,原文链接:http://www.smd.net.cn/tech/show-84.html

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