技术资讯 | 一文了解用于高频电路的高稳定性电容器

本文要点

 

不同的陶瓷类别、MLCC 及其与稳定性的关系。

品质因数/耗散因数是确定稳定性的指标。

什么时候在设计中使用MLCC的替代品。

 

电容器在电子产品中无处不在，这是有充分理由的：它们为许多不同类型的电路执行多种关键功能。虽然高稳定性电容器在许多情况下都很有价值，但它们在高速射频应用中格外出色。由于电容器往往在高频下会泄漏更多能量，防止损耗到环境中是节能的，并防止组件和基板的热老化。

陶瓷电容器：类别和封装

电容器在电路中起着各种各样的作用。作为电子产品的基本组成部分之一，电容器可以滤波、去耦、平滑信号、充当动力储备，并提供许多其他基本功能。为了最好地匹配这些不同的用途，电容器有许多不同的材料和结构可供选择。

在讨论稳定性时，陶瓷电容器是一个很好的起点，国际电工委员会定义了三种不同类别的陶瓷电容器：

1 类电容器可在各种工作和环境条件下提供高稳定性和低损耗。

2 类电容器包含更大的存储能力，但在极端温度下以非线性方式工作。

3 类电容器提供比 2 类更大的存储能力，同时具有更大的不稳定性。由于多层陶瓷电容器（MLCC）已经超出了与3类电容器相关的技术能力，该分类已不再使用，不再标准化。

在稳定性方面，1 类电容器为设计人员提供了最佳选择，适用于充足的三位数温度范围，同时保持严格的容差。但是，它们并非普遍适用。额定电容相同的 2 类电容器所需的占位面积比同等的 1 类电容器小得多。当布局狭窄时，1类电容器可能无法满足电路的电容要求。

形式服从功能：包装与稳定性的关系在封装方面，MLCC（陶瓷通孔圆盘）已成为与高稳定性电容器最相关的封装。前者是由大多数对铁电材料以及形成电介质所需的任何金属的均匀粉状混合物形成的。一系列电极交替连接到两个端子上，形成一堆微型电容器（在介电层之间散布）。粉末介质的粒度越小，电极板越薄，从而减小封装尺寸或增加容量电容。一些制造工艺的重新安排，例如沿机身的长边缘电镀或使用芯片阵列格式，可以降低等效尺寸封装的等效串联电阻（ESR）。ESR是一种重要的诊断工具，为评估电容器的稳定性提供了一个指标。使用品质因数测量高稳定性电容器电容器的稳定性也可以通过其品质因数（简称为Q因数）来分析。简单来说，Q因数测量电容器的效率;从热力学上讲，不可能有一个完美的能量存储，因此电容器（和许多其他设备）是通过将损耗与电容器的总存储能力联系起来来评估的。按理说，电容器的Q因数越大，其减少漏电的性能就越好。从数量上讲，该方程将有损阻抗和无损阻抗分量关联如下：

 

Q 因子与电流的无功（无损）和电阻（有损）逆流有关

电抗，记作XC，表示虚值的、无损的电流阻力，而电阻（电容器中的ESR）是实值的有损对立。换句话说，Q因数越高，电容器越接近其理想形式，最大限度地减少欧姆加热的损耗。虽然电容保持不变（前提是避免介电击穿），但电抗和ESR都是频率相关值。因此，Q因子代表一个可变的响应，通常在数据表中以值得注意的频率或以曲线覆盖更广泛的值范围报告。一个相关的值，耗散因数（DF），可以替代Q因子，两者相为倒数。当 q 因子仅皮肤深度时Q 因数/耗散因数是所有电容器的关键考虑因素吗？不一定，但对于某些应用，如果不使用适当的电容器，损耗可能会变得难以承受。这在高频电路中最常见，其中频率的增加导致电流密度向导体表面的更大集中。这种现象被称为集肤效应，由于交流电中的反电动势在导体中心最强，因此将电荷径向推到边缘。由于电阻是组件的外部特征，面积的减小意味着电阻的有效增加。这种作为热量损失的能量的增加足以在明显的高频板中引起脱焊事件。一般来说，电容和损耗因子是负相关的，高稳定的电容器缺乏体电容，反之亦然。用于生产这些高稳定性电容器顺电二氧化钛混合物缺乏具有更高容积效率的电容器中常见的铁电材料的介电常数。单个铁电电容器的材料可以额定为多达30-70个顺电电容器的相对介电常数。在需要可观电容的密集设计中，钽电容器可能被证明是最有效的选择，但相对于陶瓷而言，它们的成本过高。

 

选择合适的电容器高稳定性电容器对于您的设计功能至关重要，由于它们在广泛的工作输入范围内具有出色的性能特征，您的电路板很可能已经包含这些电容器。MLCC是绝大多数非极化SMD电容器，可全面满足大多数电容器需求，包括谐振、平滑、旁路和（去）耦合。对于设计师和工程师来说，更重要的是需要了解更具体、通常更昂贵的电容器解决方案的差距。

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