片式电容及其应用

片式电容及其应用

0 引言
    片式电容具有容量大，体积小，容易片式化等特点，是当今移动通信设备、计算机板卡以及家电遥控器中使用最多的元件之一。为了满足电子设备的整机向小型化、大容量化、高可靠性和低成本方向发展的需要，片式电容本身也在迅速地发展：种类不断增加，体积不断缩小，性能不断提高，技术不断进步，材料不断更新，轻薄短小系列产品已趋向于标准化和通用化。其应用正逐步由消费类设备向投资类设备渗透和发展。
    此外，片式电容还在朝着多元化的方向发展：①为了适应便携式通信工具的需求，片式电容器正向低电压、大容量、超小和超薄的方向发展。②为了适应某些电子整机(如军用通信设备)的发展，高耐压、大电流、大功率、超高Q值、低ESR型的中高压片式电容器也是目前的一个重要的发展方向。③为了适应线路高度集成化的要求，多功能复合片式电容器正成为技术研究热点。

1 片式叠层陶瓷介质电容器
    在片式电容器里用得最多的是片式叠层陶瓷介质电容器。
    片式叠层陶瓷电容器(MLCC)，简称片式叠层电容器(或进一步简称为片式电容器)，是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层(外电极)，从而形成一个类似独石的结构体，故也叫独石电容器，如图1所示。

    图1表明，片式叠层陶瓷电容器是一个多层叠合的结构，其实质是由多个简单平行板电容器的并联体。因此，该电容器的电容量计算公式为

    C=NKA／t
    式中，C为电容量；N为电极层数；K为介电常数(俗称K值)；A为相对电极覆盖面积；t为电极间距(介质厚度)。
    由此式可见，为了实现片式叠层陶瓷电容器大容量和小体积的要求。只要增大N(增加层数)便可增大电容量。当然采用高K值材料(降低稳定性能)、增加A(增大体积)和减小t(降低电压耐受能力)也是可以采取的办法。
    这里特别说一说介电常数K值，它取决于电容器中填充介质的陶瓷材料。电容器使用的环境温度、工作电压和频率、以及工作的时间(长期工作的稳定性)等对不同的介质会有不同的影响。通常介电常数(K值)越大，稳定性、可靠性和耐用性能越差。

常用的陶瓷介质的主要成分是MgTiO3、CaTiO3、SrTiO3和TiO2再加入适量的稀土类氧化物等配制而成。其特点是介质系数较大、介质损耗低、温度系数小、环境温度适用范围广和高频特性好，用在要求较高的场合(I类瓷介电容器)中。
    另一类是低频高介材料称为强介铁电陶瓷，常用作Ⅱ类瓷介电容器的介质，一般以BaTiO3为主体的铁电陶瓷，其特点是介电系数特别高，达到数千，甚至上万；但是介电系数随温度呈非线性变化，介电常数随施加的外电场也有非线性关系。
    目前最常用的多层陶瓷电容器介质有三个类型：COG或NPO是超稳定材料，K值为10～100；X7R是较稳定的材料，K值为2 000～4 000；Y5V或Z5U为一般用途的材料，K值为5 000～25 000。在我国的标准里则分为I类陶瓷(C C 4和CC41)及Ⅱ类陶瓷(CT4和CT41)两种。上述材料中，COG和NPO为超稳定材料，在-55℃～+125℃范围内电容器的容量变化不超过± 30ppm／℃。
    其余材料是按其工作温度的范围和电容量的变化率来命名的。详见表1。

   

   几种常用的片式电容器的介质材料中：
    X7R代表使用温度范围为-50℃至+125℃；在此范围内的电容量变化可达到±15％。
    Z5U代表使用温度范围为+10℃至+85℃；在此范围内的电容量变化从-56%至+22%。
    Y5V代表使用温度范围为-30℃至+85℃；在此范围内的电容量变化从-82%至+22%。
    这些关系表明，在实际使用时，对片式电容器选择不能一味只考虑体积和价格，如果有使用的环境温度问题，还应当注意电容器的介质带来的电容量变化问题。图2画出了不同材质电容器电容量以及介质损耗随温度变化的曲线。

    下面是不同材质电容器的性能和应用事项：
    ①NPO电容器
    NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm／℃，电容量随频率及相对使用寿命的变化都非常小。
    随封装形式不同，其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同，大封装尺寸的NPO电容器要比小封装尺寸的频率特性好。

NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容，以及高频电路中的耦合电容。
    ②X7R电容器
    X7R电容器被称为温度稳定型的陶瓷电容器。当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15％，需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。
    X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的，它也随时间的变化而变化，但是要比Z5U和Y5V电容器好得多。
    X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用，而且当电压变化时其容量变化是可以接受的条件下。它的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。
    ③Z5U电容器
    Z5U电容器称为“通用”陶瓷片式电容器。它最主要优点的是小尺寸和低成本。对于已经讲过的三种片式电容来说，在同样的体积下，Z5U电容器具有最大的电容量。但它的电容量受环境和工作条件影响较大，另外介质损耗可以达到3％。
    尽管它的容量不稳定，但是这种电容器所特有的体积小、等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)低、以及良好的频率响应等优点，使得这种电容器还是获得了广泛的应用，尤其是在退耦电路的应用中。
    ④Y5V电容器
    Y5V电容器是一种有一定温度限制的通用电容器，在-30℃到+85℃范围内其容量变化可以达到+22％至-82％，另外介质损耗可以达到5％。但是Y5V的高介电常数允许在较小的物理尺寸下制造出高达4．7μF的电容器。
    下面是用以说明片式电容器性能的主要技术指标：
    ①容量与误差：实际电容量和标称电容量允许的最大偏差范围。
    常用的电容器其精度等级和电阻器的表示方法相同。用字母表示：D级：±0．5％；F级：±1％；G级：±2％；J级：±5％；K级：±10％；M级：±20％。
    ②额定工作电压：电容器在电路中能够长期稳定、可靠工作，所承受的最大直流电压，又称耐压。对于结构、介质、容量相同的器件，耐压越高，体积越大。
    ③温度系数：在一定温度范围内，温度每变化1℃，电容量的相对变化值。温度系数越小越好。
    ④绝缘电阻：用来表明漏电大小的。一般小
容量的电容，绝缘电阻很大，在几百兆欧姆或几千兆欧姆。电解电容的绝缘电阻一般较小。相对而言，绝缘电阻越大越好，漏电也小。
    ⑤损耗：在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量。这些损耗主要来自介质损耗和金属损耗。通常用损耗角正切值来表示。
    ⑥频率特性：电容器的电参数随电场频率而变化的性质。在高频条件下工作的电容器，由于介电常数在高频时比低频时小，电容量也相应减小。损耗也随频率的升高而增加。另外，在高频工作时，电容器的分布参数，如极片电阻、引线和极片间的电阻、极片的自身电感、引线电感等，都会影响电容器的性能。所有这些，使得电容器的使用频率受到限制。
    在实际使用中，除了要注意环境温度变化对电容器电容量变化的影响外，还要注意工作电压和储存时间对电容器电容量变化的影响。
    ①电容器的使用电压对电容器的电容量有影响，稳定性低的介质，在施加额定工作电压后容量会大幅度下降(见图3)，以至达不到使用效果，这一点在选择电容器时必须给以充分注意(不能一味追求大容量和小体积，必须在容量和使用电压上留有充分余地)。

    ②储存时间对电容器的容量也有影响，对超稳定的电容器，如COG和X7R，随时间增长电容器容量的变化不大。可是Z5U／Y5V这类电容，随时间增长，存放1 000小时的电容量变化可以高达5％～10％，或更大。但是这类电容器容量的老化是可逆的。每次将电容温度升到125℃，老化过程便重新开始。所以当这类电容器的存放时间超过1000小时后所发生的容量偏低现象不属于产品的质量问题，其特性是符合国际规范的。对于容量偏低的电容器的通用解决办法是，即将电容器放在150℃左右的环境下预热1小时。其电容量就恢复正常值。

2 片式电容器在设备电磁干扰抑制中的应用
    片式电容器在一般电子电路中的主要应用有：滤波、耦合、去耦、旁路、谐振、时间常数(定时)和反馈等等。其中：
    ①滤波：并联在电源电路的正负极之间，把电路中无用的交流去掉(或将整流后的单向脉动电压中的交流分量滤掉，使单向脉动变成平滑的直流)。
    ②去耦：并接于电路电源接线的正负极之间，可防止各部分电路通过电源内阻引起的相互干扰(严重时还会产生寄生振荡)。
    ③旁路：并接在电阻两端或由某点直接跨接至共用电位点，为交直流信号中的交流或脉动信号设置一条通路，避免交流成分在通过电阻时产生压降。
    片式电容器在设备中的电磁干扰抑制，实际上只是片式电容器在电路中应用的一个方面，只不过为了突出《片式电磁兼容对策器件》中的“对策”作用，才把它专门列成一节。
    上面讲到的电源线路滤波和去耦也是设备电磁干扰抑制应用的一部分。此外还有信号线的共模滤波，信号线和电源线的辐射抑制等。
    为了使片式电容干扰抑制的效果更加显现，有时往往还要与片式磁珠和片式电感器结合起来一起使用。现时还有一种将电容和电感综合在一个元件里的片式叠层复合器件可以供应，使得使用更加方便，使用效果也更好。

3 片式电容器的线路形式
    1)片式二端电容器
    二端形式的片式电容器是使用最普遍的片式电容器，这里以日本村田制作所产品为例给说明。
    村田的片式电容器产品极其丰富，有一般的去耦和滤波用电容器(规格多、容量大，还有排容产品)，以及频率控制、调谐和阻抗匹配用电容器(带温度补偿)，高速和高频电路去耦用电容器(低电感和低电阻)，中、高压转换用电容器(高电压、大容量)，交流电路用电容器(符合安规要求)以及汽车传动与安全设备专用电容器等等。用户可根据不同需要予以选择合适的电容器。

    下面是村田制作所的GRM15／18／21／31系列的片式电容器，见图4：

    ①GRM18／21／31系列片式电容器适合于波峰及回流焊接；GRM15系列片式电容器只适合回流焊接。
    ②GRM1 5／18／21／31系列片式电容器备有长×宽×厚度为1．0×0．5×0．5mm至3．2×1．6×1．6mm的多种尺寸可供选用。
    ③GRM15／18／21／31系列片式电容器的适用电压包括6．3V、10V、16V、25V、50V、100V。200V和500V等多个等级；根据使用的介质材料分，有COG至Y5V等多种片式电容器可以选择。
    ④GRM15／18／21／31系列片式电容器可用在一般用途的电子设备中。
    村田制作所还生产一种排容，在一个器件中有2至4个电容，尤其适合在单片机的总线上使用，见图5。

    2)片式三端电容器
    我们平常使用的陶瓷圆片电容器作为旁路电容，可以将高频干扰短路到地，达到抗干扰的目的。但是电容器的引线电感及电容内部的剩余电感却限制了它的高频特性发挥。图6是普通电容器做高频旁路时的引线电感影响例。
    从图6中可见，电容器的插入损耗一开始随频率增加而增加，直至达到自谐振频率(等效电感与电容的串联谐振)，插入损耗也达到最大值。此后，由于等效电感的感抗增大，使插入损耗开始下降。
    为了在高频时也有较好的旁路作用，必须让旁路电容的自谐振频率也较高，所以电容器的引线绝对不能长。另外，旁路电容也不是越大越好，电容大，自谐振的频点偏低。所以，最好的办法是通过试验来选择合适的电容，尽可能让要抑制的干扰频率与自谐振点一致，以便使担当滤波的电容器带来的插入损耗为最大。
    由于普通的两端电容有引线电感，所以总的剩余电感较大，自谐振点也比较低。为了改进普通引线式电容器的自谐振、且自谐振频率偏低的问题，村田制作所曾发展了一种引线式三端电容器，见图7。与两端电容相比，这个电容的上引线化成了两根(所以三端电容有三根引线)。三端电容器的这两根上引线化成了信号传输线的一部分，于是引线电感与电容器变成了一个“LC”滤波器。正是三端电容器巧妙地利用了引线电感，使得三端电容器对干扰的抑制作用更好。三端电容器也有自谐振问题，为了最大限度地限制这个问题，使用时三端电容器接地的这根引脚的长度应该受到限制。

    应该说片式二端电容器的出现对于改进普通引线式电容器的自谐振问题是很有好处的，因为片式二端电容器的引线长度得到了最大限度缩减。但由于电容器内部的构造，并不能够消除内部电极的残留电感，这样当频率达到使电容器的容抗XC同残留电感的XL的绝对值相等时，二端电容依然会产生自谐振，参见图8。由于自谐振频率的存在，当噪声的频带超过自谐振频率之后，噪声的抑制效果会急速下降。但是与普通有引线的二端电容相比较，还是有很大改进。