陶瓷電容器的規格書能夠信任嗎？

電子產品功能越來越多，但尺寸卻越做越小。于是設計師自然會選用尺寸越來越小的電容器。之前的1206、容量至少0.1F的電容器，如今用0402即可實現。然，這兩種電容真的等效嗎？電路中電容劣化會隱含哪些問題？電容器規格書中的參數可信到什么程度？針對這些問題，且看本文深入分析。

作為電子工程師，最好的學習成果是，在工作中發現電路有工作不正常的地方后，能夠及時找到根本原因。并希望在產品投入生產之前及早發現，越早越好。這里討論的大部分是一個關于工程“在職培訓”的故事，希望如果你沒有意識到所有這些問題的話，會預先得到警告，并清楚了解需要注意哪些問題。

陶瓷電容器規格

很多人認為C0G、X7R、B5X和Z5U等常用陶瓷電容術語是一種物理電介質規格。一些制造商會說“X7R電介質”之類的話，但這并不準確。這三個字母代表的不是物理電介質，而是一個性能評級，制造商可以選用任何電介質配方，只要它們符合這三個字母的性能規格。型號名稱為C0G或NP0的陶瓷電容器屬于Ⅰ類，電容非常穩定，溫漂也非常低，通常低于30ppm/℃。C0G類型電容的容積效率也最低。

Ⅱ級電容器重點考慮的是尺寸，其三字母編號方法詳見表1。

表1：II類電容器三字母標注代碼。

電子產品中最常用的型號是X7R和B5X。這一名稱并不代表特定的電介質，而是一種規范。制造商可以使用他們希望的任何結構，只要它們符合規范即可。例如，“X7R”規范特征為：工作溫度范圍為-55～+125℃，而電容變化最大為±10%。

如果在任何地方都使用C0G規范的電容，我們的生活(及我們的電路)將會變得更加美好。問題是它們太大了，在大多數現代應用中無法廣泛使用。下面將會看到除C0G類型以外，其他類型“電容器變壞”的地方。

電容上的直流偏置電壓

對陶瓷電容的“糟糕體驗”，是我第一次決定在新的軟件定義無線電中主要使用陶瓷電容進行電源總線濾波時。收音機工作正常，但電源總線發生振蕩。該電源是一個5.5伏的大容量電源，為一個由5伏低壓差調節器(LDO)組成的大型網絡供電。當電壓偏離至5.4V時，所謂的0.22F、0402電容器的電容量損失了一大部分，總線沒有足夠的大電容來緩沖LDO產生的低頻交互作用，振蕩隨之而來！

幸運的是，這很容易解決。我只是在現有電容上背搭了一只2.2F電容，并繼續測試第一塊電路板。這促使我開始尋找根本原因，并仔細研究電容器數據手冊。

在該產品要求大幅縮小尺寸之前，一直使用額定電壓通常為50V的0603和0805型電容，供電軌上至少還用有一個鉭電容。由于電源軌在80%的時間里為5V或更低，電容器沒有出過明顯的問題。

正如其他工程師所詳述的，許多人都有類似的經歷。隨著尺寸的減小，多年來一直有效的方法突然失效了。

眾所周知，有幾種電容器的電容量隨偏壓的升高而降低，如圖1所示。

圖1：相對于C0G電容，兩款0.01F、50V、X7R電容器的電容降低量與DC偏置的關系(A)，以及兩款X7R電容與交流激勵電平的關系(B)。另外，看似相似的X7R電容，不同制造商之間還可能存在巨大差異。

盡管使用X7R規格的電容進行旁路，但我發現電容值大幅降低，因為同時降低了電容的額定電壓，這是一種被我稱之為“打擊平方”的“雙重打擊”。

之前有專家說:“為了幫助用戶，如今所有主要的供應商都至少在其片式多層陶瓷電容器(MLCC)規格書中提供DC偏差信息，”但是最近我發現這不再是真的了。在過去的幾年中，這類信息幾乎在數據手冊中消失，現在要獲得這些信息，也必須專門去尋找。

AVX、村田和KEMET等公司的網站上，顯示了幾乎所有電容器的各種參數和性能曲線，但遺憾的是，這些信息通常不能轉用到另一制造商。例如，一家制造商的0.1F、10VX7R在5VDC偏置下，可能會損失4%的電容，而另一家制造商在相同條件下，電容損失量則會高達35%。這表明，即便是同一種規格，也根本不能假設一個制造商的電容性能等同于任何其他制造商的電容性能。

此外，大家可能還記得，2017年，所有類型的陶瓷電容器都出現了全球短缺。當時，制造商們爭先恐后地生產盡可能多的器件進行銷售。我遇到了幾個與生產相關的問題，不僅最終用戶做出了未經驗證的器件變更，而且制造商也對他們的器件進行了更改，導致器件具有不同的DC偏置電壓特性曲線。

觀察當今的電容與DC偏置的關系曲線時，會發現是幾十年前的制造信息，我開始懷疑它是否與現實相符。它只是沒有被更新嗎？而最近我發現這些信息不僅是沒更新，似乎還被刪除了。

電容變差引起的失真

另一個問題是失真。在模擬信號通道中，DC偏置引起的容量變化可能導致使用任何電容器都會出現的問題。我見過太多空間緊張的設計，工程師簡單地根據尺寸和額定溫度選擇電容。這種設計選擇只能用于各種各樣的數字信號處理，而對模擬信號處理則會產生災難性的后果。

為了展示和度量這種失真效應，使用了我的BlasterAmp項目的一部分，即SoundBlasterUSB加密狗的音頻輸出、用于創建超低失真音頻音調的軟件、還有用于測量失真的定制18位FFT分析儀、以及圖2中的電路。

圖2：用于測試失真的NE5534運算放大器電路。

圖2中，“被測電容器”是焊接各種被測電容器的地方。當連接到SoundBlasterUSB加密狗和一些定制軟件時，該電路產生一個高達16位的無失真信號(至少＞95dBc)。

圖2中的電路僅限于SoundBlaster中DAC的16位失真。按照預期測量了各種0.01F、C0G陶瓷和疊層薄膜電容。都沒有給輸出增加可測得到的失真。

當我測量X7R電容時，有趣的事情發生了。通常，我只在旁路電路中使用X7R電容，但在實際工作中，有時候為了更有把握，這種電容器也確實會在信號處理通道誤用一兩只。幸運的是，它們并沒有造成任何問題，因為它們的額定電壓幾乎都是50V，遠高于信號擺幅。

圖3所示為兩個看似相同的0.01F、50V、0603、X7R型器件的測量結果(信號峰峰值擺幅為20V)?？梢钥闯?，這些電容在FFT圖上具有非常不同的失真特性。表2給出了更好的失真產物比較，不難發現，其中一個“看似相同”的電容的失真比另一個電容好一倍！

圖3：兩個看似相同的50V、X7R、0603尺寸電容的FFT失真信號?？梢钥闯?，其中一個的失真特性明顯差很多。、

表2：圖3中不同被測電容的結果數據。其中一個電容的總諧波失真百分比是另一個電容的兩倍。對于三次諧波，即使在8位電平(-49dBc)，兩者的性能都較差！

另外，我還測量了一些X7R，0805，50V的電容，甚至還有一款0402，10V額定電壓的電容，失真情況和上面類似。0402的測試結果本想更差，因為相對于其額定最大工作電壓的相對擺幅更大，但結果并非如此。這讓我覺得這些器件的數據手冊曲線非常陳舊，根本不符合現實。我還將0402電容的偏置電壓提高到50V，漏電流也沒有明顯增加，難道它可能是基于50V電容工藝制造的？具體情況不得而知，但如果根據電容量下降與工作電壓的經典關系曲線，結果應該比實際情況要糟糕得多。

在我翻箱倒柜找電容進行測量的時候，還偶然發現了一個45年前生產的Z5U盤式電容。我原以為其失真特性會非常糟糕，但測試結果卻證明，它一點也不差，與現代X7R竟然差不多！(參見圖4)

圖4：出于興趣，對一個約50年的Z5U電容進行測量。結果其失真沒有預期的那么嚴重。

從圖3中所測電容中取出一只，降低電容上的峰峰值電壓，一直降到使失真產物被埋入噪底基底內，然后將數據繪制成圖5。

圖5：三次諧波失真與施加在圖3中一只0.1F、50V、X7R、0603電容上的峰峰值電壓的關系。與預期一致，測量的失真遵循擬合的對數趨勢線。

圖5中繪制的趨勢線與對數曲線吻合良好，這表明即使在信號通道中必須使用X7R電容，只要通道的信號電平足夠低，也不會有任何失真問題。

制造商數據表中沒有列入失真特性參數。如上所示，隨DC偏置電壓變化，看似相似的電容容量變化差異很大。

工程師所能做的就是遠離除C0G以外的任何電容器，或者是在可能會出現失真的地方使用薄膜電容器。即使仔細測試也不一定能確保成功，因為永遠不知道零件的設計或結構何時會發生變化，從而導致問題。是的，這意味著尺寸可能會成為一個問題，但有時必須進行設計折衷。

陶瓷電容的壓電效應

在與一些知識淵博的鎖相環(PLL)設計人員一起工作時了解到這一點；他們說，除C0G或X7R電容之外的任何電容都會有問題。這個“問題”是，除了用于制造C0G電容的電介質之外，任何電介質都使用一種自然壓電材料，當變形時，將在器件兩端產生電壓。

我認為，是在顯示冷卻風扇旋轉頻率上的RF邊帶設計中，PLL設計人員首次發現這個問題。風扇導致PCB振動，這種振動導致相關電容產生足夠的壓電電壓，對PLL的振蕩器諧振信號產生了調制，從而產生邊帶。將電容改為C0G型后，問題就解決了。

電容器行業都知道這一點，他們稱之為:“唱歌電容器”，因為很多人了解這種壓電現象的方式與我的經驗相反。即如果在其中一個電容上施加交流電壓，電容內部結構就會自行彎曲，如果頻率、電壓和安裝方式巧合而產生諧振，PCB就會變成揚聲器，產生聽得到的音噪。

閱讀許多筆記本電腦的評論有時會描述在某些筆記本電腦的特定負載條件下可以聽到的聲音。他們通常將此描述為“線圈嗚嗚聲”，但它可能真的是一個“唱歌電容器”

一些制造商修改了其電容器的設計，以緩解這一問題并降低可能的音噪。過去也已經做了一些很好的工作來證明和衡量這些問題，本文沒有必要贅述。

正如我根據其他設計師的經驗提到的，在模擬設計中，除了C0G和X7R電容之外，我不用任何其他電容，只在必要的地方使用更高密度的電容器，比如FPGA的電源焊盤之間等地方、或嚴格的數字設計中。但是，如果在時鐘線路中使用這種壓電效應非常大的電容，誰能保證某些壓電電壓不會引起開關閾值抖動，從而導致線路中產生不必要的時鐘抖動呢？小心為妙！

我一直認為X7R電容不會受到壓電問題的影響，但事實也并非如此，因為X7R電容使用的電介質材料本身也具有壓電特性。只是到目前為止，壓電引起的電壓非常低，故不會帶來任何問題。這種情況隨時可能發生變化，正如我在2017年大電容器短缺時的經歷所示，所以最好非常謹慎?；蛘咴谶m當的情況下使用專門設計的低音噪電容。

陶瓷電容的開裂

陶瓷電容器非常易碎。誰沒弄破過或者把端蓋搞掉過？在薄PCB上使用大的陶瓷電容器會加劇這種脆弱性，其中PCB翹曲會導致許多電容器破裂(如圖6所示)。我的經驗是，在標準厚度為0.032～0.062英寸的PCB上，使用任何大于1206尺寸的器件，我都會感到擔心。我甚至以工字梁的方式直立安裝電容器，以減少可能的應力。許多大型陶瓷電容器陣列甚至安裝在應力消除框架中，以減少可能的開裂應力。

圖6：如果對任何焊接好的PCB組件施加力，將會導致彎曲(紅線)。那么沿彎曲安裝的任何零件將在其安裝點受到力的作用(黑箭頭)。陶瓷電容器非常脆，通常首先受到翹曲力的作用，并在焊接點爆裂。

從某種程度上來說，電容結構的確很重要，但所有陶瓷電容都容易因翹曲應力而破裂。謹記這一點，并根據元件尺寸使用適當厚度的PCB，以減少可能的彎曲。標準厚度為2.2～3.0mm的PCB比0.8～1.6mm的材料堅硬得多，可能足以解決任何潛在的翹曲問題。

請記住，翹曲應力不僅發生在電路板發生物理變形時，整個組件的溫度循環也會產生足夠大的應力，使陶瓷電容破裂。

一些制造商生產的電容器具有特殊柔性或軟焊接端，故允許焊點實際翹曲一些，這可以大大有助于緩解問題。

對于任何小于0603的元件，其另一個實際問題是，當處理電路板或試圖將組裝好的電路板放入堅硬的/法拉第屏蔽的金屬化防靜電袋中時。這些類型的金屬化袋非常堅硬，可以非常容易地從板上剪下小零件。在將組件放入堅硬的法拉第屏蔽袋中之前，將組件放入更柔軟或有襯墊的防靜電袋中可以防止許多損壞問題。

不知道還有什么不知道

所有這些電容問題都是眾所周知的，并有文獻記載，但仍未得到普通工程界的廣泛認可。故直到如今，仍然看到一些設計，試圖在模擬信號通道中使用盡可能小的電容。遺憾的是，這些設計師還都將靠自己親自了解并經歷電容下降、失真和壓電問題。這是很不幸的事情！因為像我這樣，被前者的經驗引導著繞過陷阱的痛苦要小得多，所以如果不是我親自遇到所有這些問題，我也不會遭受這么多痛苦。

最近，在電容器嚴重短缺之后，我重新評估了基于壓電經驗法則究竟可以做出多少推斷，就像X7R電容器在某種程度上不受這個問題的影響?，F實教會我不再盲目假設，而是更加謹慎。正如TDK應用說明書中所述:

“工程師不能僅根據……{電路之外}……的測量值做出通用性假設！”

仔細對電路中選用的器件進行測試，而不要試圖根據其他類似的器件作出推斷。它們可能完全不同，更糟糕的是，這可能會在下一次零件短缺到來后的一周里就發生變化。

只有電容器會出現問題嗎？

不久前，當凌特科技開始生產18位和20位ADC時，他們發現即使更小的SMT電阻也會引起失真。事實證明，12位和14位分辨率的實現相當容易，但當分辨率大于16位時，就需要精心設計了，需要針對每個器件，仔細檢查其非線性。包括在焊接好的電路板上進行“敲擊”，以尋找壓電效應！

(參考原文：Ceramic capacitors how far can you trust them）

本文轉載自：電子工程專輯

審核編輯 黃宇