陶瓷电容器的温度和电压变化

现代小尺寸陶瓷电容器的现实情况很好地提醒您务必阅读数据手册。本教程解释了陶瓷电容器类型名称（如 X7R 和 Y5V）如何与电压系数无关。工程师必须检查数据，才能真正知道特定电容器在电压下的性能。

简介：我很惊讶

几年前，在从事这些工作超过25年之后，我学到了一些关于陶瓷电容器的新知识。我正在研究一个LED灯泡驱动器，我的项目中RC电路的时间常数似乎根本不对。

我立即假设电路板上安装了不正确的元件值，因此我测量了构成分压器的两个电阻。他们很好。我从电路板上拆下电容器并对其进行了测量。它也很好。为了确定，我买了新的电阻器和电容器，然后测量并安装了它们。我启动了电路，检查基本操作是否正确，然后去看看我的RC时间常数问题是否得到解决。其实不然。

我正在自然环境中测试电路：在外壳中，外壳本身位于一个外壳中，以模仿天花板照明的“罐头”。在某些情况下，组件温度远远超过+100°C。 即使在我重新测试RC行为的短时间内，事情也可能变得非常热。当然，我的下一个结论是电容器的温度变化是问题所在。

我对这个结论持怀疑态度，因为我使用的是X7R电容器，正如我多年来所知，在+15°C下只有±125%的变化。 为了确定并确认我的记忆，我查看了我正在使用的电容器的数据手册。那时我的陶瓷电容器再教育开始了。

一些基本陶瓷电容器类型的背景

对于那些没有记住这些东西的人（就像几乎所有人一样），表1显示了用于陶瓷电容器类型的字母和数字以及每个类型的含义。此表描述了II类和III类陶瓷。无需深入细节，I 类电容器包括常见的 COG （NPO） 类型。这些在体积上不如我们表中的那些，但它们在环境条件下更加稳定，并且它们不表现出压电效应。但是，下表中的那些可能具有差异很大的特征;它们会随着施加的电压而膨胀和收缩，有时会引起可听见的嗡嗡声或振铃声，压电效应。

 

第一个字符：低温		第二个字符：高温		第 3 个字符：温度变化（最大值）
煳	温度（°C）	数	温度（°C）	煳	变化 （%）
Z	+10	2	+45	一个	±1.0
Y	−30	4	+65	B	±1.5
X	−55	5	+85	C	±2.2
–	–	6	+105	D	±3.3
–	–	7	+125	E	±4.7
–	–	8	+150	F	±7.5
–	–	9	+200	P	±10
–	–	–	–	R	±15
–	–	–	–	S	±22
–	–	–	–	T	+22， −33
–	–	–	–	U	+22， −56
–	–	–	–	V	+22， −82

 

在上述许多电容器类型中，根据我的经验，最常见的是 X5R、X7R 和 Y5V。我从不使用Y5V，因为它们在环境条件下的电容变化非常大。

电容器公司在开发产品时，会选择具有特性的材料，使电容器能够在指定的温度范围内（第 3 个字符和第 1 个字符）在指定的变化（第 2 个字符）内运行。我使用的X7R电容器在−15°C至+55°C的温度范围内变化不应超过±125%。

并非所有 X7R 都是平等的

由于我的RC时间常数问题远远大于指定的温度变化所解释的问题，因此我必须更深入地挖掘。查看电容器的电容变化与施加电压的数据，我惊讶地发现电容随我设置的条件而变化的程度。我选择了一个16V电容来工作在12V偏置下。数据手册表明，在这些条件下，我的4.7μF电容通常可提供1.5μF的电容！现在这解释了我的RC电路遇到的问题。

数据手册显示，如果我将电容尺寸从0805增加到1206，在这些条件下的典型电容将为3.4μF。这需要进行更多的调查。

我发现村田制作所和TDK的网站有漂亮的工具，可以绘制电容器在不同环境条件下的变化。我研究了各种尺寸和额定电压的4.7μF电容器。图1显示了我从村田制作所工具中提取的几种不同4.7μF陶瓷电容器的数据。我研究了 X5R 和 X7R 类型，封装尺寸从 0603 到 1812，额定电压从 6.3V®直流至 25V直流.

图1.部分 4.7μF 电容器的电容变化与直流电压的关系。

首先，请注意，随着封装尺寸的增加，电容随施加的直流电压而变化会减小，而且会大幅减小。

第二个有趣的一点是，在封装尺寸和陶瓷类型中，电容器的额定电压似乎通常没有影响。我原本以为在相同偏置下，在25V下使用12V额定电容器比16V额定电容器的变化更小。查看 5 封装中 X1206R 的走线，我们看到 6.3V 额定值部分确实比额定电压更高的兄弟姐妹性能更好。如果我们查看更广泛的电容器，我们会发现这种行为很常见。我正在考虑的一组电容器样本不像一般的陶瓷电容器那样表现出这种行为。

第三个观察结果是，对于相同的封装，X7R 始终具有比 X5R 更好的电压灵敏度。我不知道这是否普遍适用，但在我的调查中似乎确实如此。

利用该图的数据，表2显示了X7R电容在12V偏置下下降的程度。

 

大小	C	%的名义。
0805	1.53	32.6
1206	3.43	73.0
1210	4.16	88.5
1812	4.18	88.9
名义	4.7	100

 

随着我们向更大的电容器尺寸发展，我们看到稳步改进，直到达到 1210 尺寸。超过这个规模不会产生任何改善。

就我而言，我为4.7μF X7R选择了最小的可用封装，因为尺寸是我的项目的一个问题。在我的无知中，我假设任何X7R都与任何其他X7R一样有效 - 显然，事实并非如此。为了获得适合我的应用程序的性能，我不得不使用更大尺寸的封装。

选择合适的电容器

我真的不想去1210包。幸运的是，我可以自由地将所涉及的电阻值增加约5倍，从而将电容降低到1.0μF。 图2显示了几个16V、1.0μF X7R电容与其4.7μF、16V、X7R表亲的电压行为。

图2.性能与 1.0μF 电容器相比为 4.7μF 的电阻。

0603 1.0μF电容的行为与0805 4.7μF器件大致相同。0805 和 1206 1.0μF 电容器的性能略好于 1210 4.7μF 尺寸。通过使用0805 1.0μF器件，我能够保持电容尺寸不变，同时在偏置下电容仅降至标称值的85%左右，而不是标称值的30%左右。

但还有更多的东西需要学习。我还是一头雾水。我的印象是所有 X7R 电容都应该具有相似的电压系数，因为使用的电介质是相同的，即 X7R。我联系了一位同事和陶瓷电容器专家¹，他解释说，有许多材料符合“X7R”的条件。事实上，任何允许器件达到或超过X7R温度特性的材料，在-15°C至+ 55°C的温度范围内±125%，都可以称为X7R。他还解释说，X7R或任何其他类型的电压系数没有规格。

这一点非常重要，所以我将重复一遍。供应商可以将电容器称为X7R（或X5R或任何其他类型），只要它符合温度系数规格，无论电压系数有多差。

作为一名应用工程师，这一事实只是强化了任何有经验的应用工程师都知道的古老格言（双关语）：“阅读数据表！

由于电容器供应商制造的元件越来越小，他们不得不在使用的材料上妥协。为了在更小的尺寸中获得所需的容积效率，他们不得不接受更差的电压系数。当然，信誉较好的制造商会尽最大努力将这种权衡的不利影响降至最低。因此，当使用小型封装或任何元件的陶瓷电容器时，阅读数据手册非常重要。遗憾的是，通常可用的数据手册是缩写的，并且很少包含此类信息，因此您可能需要向制造商索取更详细的信息。

那些我断然拒绝的Y5V呢？对于踢，让我们检查一个常见的Y5V电容器。我不会确定这部分的供应商，因为它并不比任何其他供应商的Y5V差。我选择了4封装中额定电压为7.6V的3.0603μF电容，并查看了5V和+85°C下的规格。 在 5V 电压下，典型电容比标称值低 92.9%，即 0.33μF。没错。将这个额定电压为 6.3V 的电容器偏置为 5 伏，将导致电容比标称值小 14 倍。在+85°C和0V偏置时，电容降低了68.14%，从4.7μF降至1.5μF。现在，您可能期望这会将 5V 偏置下的电容从 0.33μF 降低到 0.11μF。幸运的是，这两种效应不会以这种方式结合在一起。在这种特殊情况下，5V偏置时的电容变化在室温下比在+85°C时更严重。 需要明确的是，当该器件处于0V偏置时，电容从室温下的4.7μF下降到+1°C时的5.85μF，而在5V偏置下，电容随温度从室温下的0.33μF增加到+0°C时的39.85μF。 这应该让您相信您确实需要仔细检查组件规格。

结论

由于这一课，我不再只是向同事或客户指定X7R或X5R电容器。相反，我指定了来自我已检查其数据的特定供应商的特定部件。我还警告客户在考虑生产中的替代供应商时检查数据，以确保他们不会遇到这些问题。

正如您可能已经推测的那样，这里更大的教训是“阅读数据手册”，每次都没有例外。当数据手册中没有包含足够的信息时，请要求提供详细数据。还要记住，陶瓷电容器类型名称，如X7R、X5R和Y5V，与电压系数无关。工程师必须检查数据，才能真正知道特定电容器在电压下的性能。