多層陶瓷電容器常見小缺陷的規避方法

因其小尺寸、低等效串聯電阻（ESR）、低成本、高可靠性和高紋波電流能力，多層陶瓷 （MLC） 電容器在電源電子產品中變得極為普遍。一般而言，它們用在電解質電容器 leiu 中，以增強系統性能。相比使用電解電容器鋁氧化絕緣材料時相對介電常數為 10 的電解質，MLC 電容器擁有高相對介電常數材料 （2000-3000） 的優勢。這一差異很重要，因為電容直接與介電常數相關。在電解質的正端，設置板間隔的氧化鋁厚度小于陶瓷材料，從而帶來更高的電容密度。

溫度和 DC 偏壓變化時，陶瓷電容器介電常數不穩定，因此我們需要在設計過程中理解它的這種特性。高介電常數陶瓷電容器被劃分為 2 類。圖 1 顯示了如何以 3 位數描述方法來對其分類，諸如：Z5U、X5R 和 X7R 等。例如，Z5U 電容器額定溫度值范圍為 +10 到 +85o C，其變化范圍為 +22/–56%。再穩定的電介質也存在一定的溫度電容變化范圍。

圖 1 ：2類電介質使用 3 位數進行分類。注意觀察其容差！

當我們研究偏壓電容依賴度時，情況變得更加糟糕。圖 2 顯示了一個 22 uF、6.3伏、X5S 電容器的偏壓依賴度。我們常常會把它用作一個 3.3 伏負載點 （POL） 穩壓器的輸出電容器。3.3 伏時電容降低 25%，導致輸出紋波增加，從而對控制環路帶寬產生巨大影響。如果您曾經在 5 伏輸出時使用這種電容器，則在溫度和偏壓之間，電容降低達 60% 之多，并且由于 2：1 環路帶寬增加，可能產生一個不穩定的電源。許多陶瓷電容器廠商都沒有詳細說明這一問題。

圖 2：注意電容所施加偏壓變化而降低

陶瓷電容器的第二個潛在缺陷是，它們具有相對較小的電容和低ESR。在頻域和時域中，這會帶來一些問題。如果它們被用作某個電源的輸入濾波電容器，則它們很容易隨輸入互連電感諧振，形成一個我們在《電源設計小貼士 3》（http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp？contentId=53863 ）和《電源設計小貼士 4》（http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp？contentId=53864 ）中討論的振蕩器。要想知道是否存在潛在問題，可將寄生互連電感估算為每英寸 15 nH，然后根據這兩篇文章介紹的方法把濾波輸出阻抗與電源輸入電阻進行對比。第二個潛在問題存在于時域中，我們可在以太網電源 （POE） 等系統中看到它們的蹤影。

在這些系統中，電源通過大互連電感連接至負載。負載通過一個開關實現開啟，并可能會使用陶瓷電容器構建旁路。這種旁路電容器和互連電感可以形成一個高 Q諧振電路。由于負載電壓振鈴可以高達電源電壓的兩倍，因此在負載下關閉開關會形成一個過電壓狀態。這會引起意外電路故障。例如，在 POE 中，負載組件的額定電壓變化可以高達電源額定電壓的兩倍。

第三個潛在缺陷的原因是陶瓷電容器為壓電式。也就是說，當電容器電壓變化時，其物理尺寸改變，從而產生可聽見的噪聲。例如，我們將這種電容器用作輸出濾波電容器時（存在大負載瞬態電流），或者在“綠色”電源中，其在輕負載狀態下進入突發模式。這種問題的變通解決方案如下：

· 轉而使用更低介電常數的陶瓷材料，例如：COG 等。

· 使用不同的電介質，例如：薄膜等。

· 使用加鉛和表面貼裝技術 （SMT） 組件，可緊密貼合印制線路板 （PWB）。

· 使用更小體積器件，降低電路板應力。

· 使用更厚組件，降低施加電壓應力和物理變形。

SMT陶瓷電容器存在的另一個問題是，在PWB彎曲時，由于電容器和 PWB 之間存在的熱膨脹系數 （TCE） 錯配，它們的軟焊接頭往往會裂開。您可以采取一些預防措施來減少這種問題的發生：

· 封裝尺寸限制為 1210。

· 使電容器遠離高曲率地區，例如：拐角區等。

· 使電容器朝向電路板短方向。

· 使電路板安裝點遠離邊角。

· 在所有裝配過程均注意可能出現的電路板彎曲。

總之，如果您注意其存在的一些小缺點，則相比電解電容器，多層陶瓷電容器擁有低成本、高可靠性、長壽命和小尺寸等優勢。它們具有非常寬的電容容差范圍，因此您需要對其溫度和偏壓變化范圍內的性能進行評估。它們均為壓電式，其意味著它們會在有脈沖電流的系統中產生可聽見的噪聲。最后，它們很容易出現破裂，因此我們必須采取預防措施來減少這一問題的發生。所有這些問題都有相應的解決辦法。因此，MLC 電容器仍會變得越來越受歡迎。

下次，我們將繼續討論開關式電源的電容器選擇，敬請期待。