電源設計小貼士:MLC電容器常見缺陷的規(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(tǒng)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(yōu)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(wěn)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+85℃，其變化范圍為+22/~56%。再穩(wěn)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22μF、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(wěn)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(huán)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(huán)路帶寬增加，可能產生一個不穩(wěn)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(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(tài)。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(tài)電流），或者在“綠色”電源中，其在輕負載狀態(tài)下進入突發(fā)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