電源設(shè)計(jì)小貼士 49：多層陶瓷電容器常見小缺陷的規(guī)避方法

因其小尺寸、低等效串聯(lián)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(chǎn)品中變得極為普遍。一般而言，它們用在電解質(zhì)電容器 leiu 中，以增強(qiáng)系統(tǒng)性能。相比使用電解電容器鋁氧化絕緣材料時(shí)相對(duì)介電常數(shù)為 10 的電解質(zhì)，MLC 電容器擁有高相對(duì)介電常數(shù)材料 (2000-3000) 的優(yōu)勢(shì)。這一差異很重要，因?yàn)殡娙葜苯优c介電常數(shù)相關(guān)。在電解質(zhì)的正端，設(shè)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(shí)，陶瓷電容器介電常數(shù)不穩(wěn)定，因此我們需要在設(shè)計(jì)過程中理解它的這種特性。高介電常數(shù)陶瓷電容器被劃分為 2 類。圖 1 顯示了如何以 3 位數(shù)描述方法來對(duì)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(wěn)定的電介質(zhì)也存在一定的溫度電容變化范圍。

圖 1 ：2類電介質(zhì)使用 3 位數(shù)進(jìn)行分類。注意觀察其容差!

當(dāng)我們研究偏壓電容依賴度時(shí)，情況變得更加糟糕。圖 2 顯示了一個(gè) 22 uF、6.3伏、X5S 電容器的偏壓依賴度。我們常常會(huì)把它用作一個(gè) 3.3 伏負(fù)載點(diǎn) (POL) 穩(wěn)壓器的輸出電容器。3.3 伏時(shí)電容降低 25%，導(dǎo)致輸出紋波增加，從而對(duì)控制環(huán)路帶寬產(chǎn)生巨大影響。如果您曾經(jīng)在 5 伏輸出時(shí)使用這種電容器，則在溫度和偏壓之間，電容降低達(dá) 60% 之多，并且由于 2：1 環(huán)路帶寬增加，可能產(chǎn)生一個(gè)不穩(wěn)定的電源。許多陶瓷電容器廠商都沒有詳細(xì)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(gè)潛在缺陷是，它們具有相對(duì)較小的電容和低ESR。在頻域和時(shí)域中，這會(huì)帶來一些問題。如果它們被用作某個(gè)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(gè)我們?cè)凇峨娫丛O(shè)計(jì)小貼士 3》(http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=53863 )和《電源設(shè)計(jì)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(jù)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(jìn)行對(duì)比。第二個(gè)潛在問題存在于時(shí)域中，我們可在以太網(wǎng)電源 (POE) 等系統(tǒng)中看到它們的蹤影。

在這些系統(tǒng)中，電源通過大互連電感連接至負(fù)載。負(fù)載通過一個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)開啟，并可能會(huì)使用陶瓷電容器構(gòu)建旁路。這種旁路電容器和互連電感可以形成一個(gè)高 Q諧振電路。由于負(fù)載電壓振鈴可以高達(dá)電源電壓的兩倍，因此在負(fù)載下關(guān)閉開關(guān)會(huì)形成一個(gè)過電壓狀態(tài)。這會(huì)引起意外電路故障。例如，在 POE 中，負(fù)載組件的額定電壓變化可以高達(dá)電源額定電壓的兩倍。

第三個(gè)潛在缺陷的原因是陶瓷電容器為壓電式。也就是說，當(dāng)電容器電壓變化時(shí)，其物理尺寸改變，從而產(chǎn)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(shí)(存在大負(fù)載瞬態(tài)電流)，或者在“綠色”電源中，其在輕負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)入突發(fā)模式。這種問題的變通解決方案如下：

· 轉(zhuǎn)而使用更低介電常數(shù)的陶瓷材料，例如：COG 等。

· 使用不同的電介質(zhì)，例如：薄膜等。

· 使用加鉛和表面貼裝技術(shù) (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(yīng)力。

· 使用更厚組件，降低施加電壓應(yīng)力和物理變形。

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

· 封裝尺寸限制為 1210。

· 使電容器遠(yuǎn)離高曲率地區(qū)，例如：拐角區(qū)等。

· 使電容器朝向電路板短方向。

· 使電路板安裝點(diǎn)遠(yuǎn)離邊角。

· 在所有裝配過程均注意可能出現(xiàn)的電路板彎曲。

總之，如果您注意其存在的一些小缺點(diǎn)，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(zhǎng)壽命和小尺寸等優(yōu)勢(shì)。它們具有非常寬的電容容差范圍，因此您需要對(duì)其溫度和偏壓變化范圍內(nèi)的性能進(jìn)行評(píng)估。它們均為壓電式，其意味著它們會(huì)在有脈沖電流的系統(tǒng)中產(chǎn)生可聽見的噪聲。最后，它們很容易出現(xiàn)破裂，因此我們必須采取預(yù)防措施來減少這一問題的發(fā)生。所有這些問題都有相應(yīng)的解決辦法。因此，MLC 電容器仍會(huì)變得越來越受歡迎。