高电容MLCCS的优势及应用设计

简介

虽然电解电容长期以来一直是需要大于100μF电容的去耦应用的首选解决方案，但这些器件具有固有的可靠性和使用寿命问题，并且通常是第一个失效的元件。多层陶瓷电容器（MLCC）技术的进步现在为设计人员提供了传统电解电容器的高电容替代品。与电解相比，新的高值MLCC具有更低的等效串联电阻（ESR）和电感（ESL）的优势，并且证明平均故障时间（MTTF）为10，000至超过1，000，000年。高价值MLCC的应用包括汽车电子，医疗电子和工业设备。

本文介绍了TAIYO YUDEN高级MLCC产品背后的材料科学。它还提供了比较性能和价格数据，以显示这些陶瓷电容器如何比聚合物电容器具有显着优势。

高电容MLCCS与聚合物电容器相比

高电容MLCC提供了显着改进等效聚合物电容器性能和价格的比较证明了MLCC在需要高电容值和/或其他系统级改进的设计中取代聚合物电容器的潜力。

性能比较

除了与电解装置相比，MLCC拓扑的固态特性提供了机械优势，许多显着的电气性能改善也很明显。

更低的ESR和ESL

图1显示了与330μF聚合物电容器相比，100μF，220μF和330μFMLCC的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。除了降低ESR和ESL值的系统损耗之外，MLCC的外壳尺寸和印刷电路板占板面积也大大减小。

图1：与聚合物电容器相比，100μF，220μF和330μF的MLCC。

使用更紧凑的MLCC进行下垂测试的可比结果

在特定应用中，MLCC可提供与聚合物电容器类似的性能，同时显着减少安装尺寸。图2显示了竞争性聚合物器件与下垂测试中选择的100μFMLCC的比较结果。 （注意MLCC如何提供类似的结果，尺寸为¼到1/6的足迹。）

图2：类似于MLCC的下垂测试性能可比较的电解质。

具有更小外壳尺寸的可比纹波性能

图3显示了150μF，220μF和330μFMLCC的纹波电压和电压降波形与330相比μF和470μF聚合物器件。与聚合物器件相比，150μFMLCC的纹波电压略有改善，而220μF和330μFMLCC的纹波性能得到显着改善。同样，尽管提供相同或更好的性能，MLCC提供更紧凑的封装。

图3：100μF，220μF和330μF的MLCC与聚合物电容器相比。

在高频范围内具有出色的稳定性

MLCC提供的一项更显着的改进是随着电容随频率的变化而减小。图4比较了MLCC和聚合物设计的频率特性。在100 Hz至100 MHz的频率范围内，四个MLCC的变化仅为8％至12％，而六个聚合物器件的变化为18％至80％。

图4：与聚合物电容器相比，MLCC的电容值对频率的影响。

图5：MLCC的优势在于与聚合物电容器相当的价位。 （基于市场研究的价格比较;实际价格可能会有所不同。）

价格比较

更高价值的MLCC成本与聚合物电容器相当，如图5所示。作为电容值MLCC继续与聚合物电容器竞争激烈。然而，在所有价位上，MLCC通过提供非极性设计方法来改善设计，简化制造工艺，降低ESR，ESL并减少占地面积。

MLCC应用示例

MLCC在电解质的性能包括物理尺寸和电气优势。此外，在某些应用中，使用更低电容（甚至更小）的MLCC可以实现相当的性能。

电源输出电压稳定

为了提高效率，今天的数字产品越来越多地配备开关型电源。这些电源电路使用高值电容器的组合来平滑输出并确保最终产品中其他电路的稳定运行。图6显示了使用MLCC改善降压转换器中波形的示例。

高价值MLCC技术在此应用中的重要优势是显着减小了元件尺寸并减少了两者与电解质相比，ESR和ESL。图6描述了电容器的低ESR和ESL如何有助于降低纹波电流。

图6：降压转换器中的纹波电压发生机制电容的ESR和ESL。

噪声滤波

在高频时，MLCC可以滤除RF噪声，并将高频尖峰对其他电路的破坏性影响降至最低。图7显示了此应用程序的一个示例。 MLCC在更宽的频率范围内具有更好的性能，并且具有低ESR和ESL，因此非常适合此应用。

图7：RF噪声去耦使用MLCC的好处。

TAIYO YUDEN MLCC产品的发展和技术

图8显示了各种行业标准封装中批量生产的高电容MLCC的发展。如图所示，MLCC的趋势是朝向更高的电容和缩小的形状因子。 TAIYO YUDEN是提供增加电容的多层陶瓷电容器的行业领导者。

图8：MLCC技术朝着更小尺寸和更高电容的趋势。

2013年9月，该公司率先生产330μFMLCC，一年后宣布推出470μF设备。随着加速发展，该公司承诺在不久的将来增加更高电容的设备。 TAIYO YUDEN在MLCC技术方面的发展，包括领先的微制造技术以及尖端的高精度分层技术，在过去五年中电容增加了十倍。图9显示了过去30年来TAIYO YUDEN MLCC的历史。

图9：TAIYO YUDEN MLCC大规模生产的历史。

材料科学推动了性能提升

MLCC需要各种关键技术才能实现越来越高的价值。如图10所示，这些技术包括：

超细粉末技术

核壳结构

薄层技术

印刷技术

多层技术

模拟技术

每个领域的进步都有助于TAIYO YUDEN始终如一地保持高水平全行业的MLCC值。

图10：MLCC实现高电容值的关键技术。

TAIYO YUDEN材料技术

超高端产品中使用的单层材料片材的厚度从微米缩小到亚微米。 TAIYO YUDEN近期技术创新的近期目标是到2016年生产1000μF陶瓷电容器。随着最近在2013年推出330μF和2014年推出470μF的成功，正在朝着这一目标取得重大进展。/p》

钛酸钡是使TAIYO YUDEN继续寻求从原材料水平到制造的各个阶段向市场提供小尺寸，高产量和高价值产品的关键原材料。图11显示了EIA Class 2 MLCC的制造方法和元件级技术。

图11：TAIYO的制造方法和元件技术YUDEN MLCC。

能够大批量生产紧凑型和高电容产品的核心技术是能够制造薄且均匀的电介质。通过控制电介质的厚度，TAIYO YUDEN目前拥有在厚度小于1微米的区域内具有绝缘性能的技术。

通过控制粉末来制造薄而均匀的薄板，从而提炼和推进技术的发展。合成原料进行分散，以及层压，烧制然后整理这些板材的整个过程。图12显示了增加更细的粉末和均匀片技术导致的电介质和电极的减少。

图12：TAIYO YUDEN的核心技术导致更加紧凑和更高电容的MLCC产品。

生产价值远高于100μF的MLCC需要在实验室和制造技术方面进行广泛的研究。这些知识对于实现精确的层压以及克服烧制的挑战至关重要。层数增加。

TAIYO YUDEN MLCC增强

声学噪声抑制

高电容型MLCC中常用的铁电陶瓷材料可能会导致在施加电场时的机械变形。利用AC电压，电容器振动并将该振动传递到基板，从而产生可听见的声音。为了解决这个问题，TAIYO YUDEN开发了声学噪声抑制介电材料，用于商业化电容器以降低噪声。

这些降噪产品还可以减小电容量直流偏置电压，非常适合用于笔记本电脑的电源电路。例如，在使用实际电路中的电压波形进行的测量中，与具有常规X5R特性的产品相比，确认存在降压效果，如图13所示。

图13：采用声学降噪措施降低声压级的MLCC。

软终端

图14显示了MLCC外部电极的设计元素，包括软端接方面。软端接提供耐热循环性和抗基板弯曲性。

图14：MLCC的软端接提供耐热循环性和对基板的耐受性TAIYO YUDEN高价值MLCC产品

TAIYO YUDEN利用专利技术和原材料的广泛开发，不断推出小尺寸，大批量的MLCC。具有超过1200层的多层结构在EIA 1812外壳尺寸中产生470μF的电容。表1和表2显示了最新MLCC的规格，其值大于100μF。

除电容值外，指定MLCC时所需的其他重要特性包括：最大额定电压，厚度，EIA/JIS外壳尺寸和温度额定值，以及温度系数（电容变化）。温度系数可确定MLCC在工作温度范围内的变化程度。常见的评级包括：X5R（-55°C至+ 85°C，±15％），X6S（-55°C至+ 105°C，±22％），X7R（-55°C至125°C，± 15％）和X7S（-55°C至125°C，±22％）。

电容外壳尺寸

eIa额定电压。

（VDC）温度

特性电容

公差零件号100μF08052.5 X5R±20％PMK212BBJ107MG-T100μF12064 X5R±20％AMK316ABJ107ML-T100μF12064 X6S±20％AMK316AC6107ML-T100μF12066.3 X5R±20％JMK316ABJ107ML-T100μF1210 6.3 X5R±20％JMK325ABJ107MM-T100μF12106.3 X7S±20％JMK325AC7107MM-T100μF12106.3 X6S±20％JMK325AC6107MM-T100μF121010 X5R±20％LMK325ABJ107MM-T150μF12064 X5R±20％AMK316BBJ157ML -T150μF12104 X5R±20％AMK325ABJ157MM-T150μF12104 X6S±20％AMK325AC6157MM-T150μF12106.3 X5R±20％JMK325ABJ157MM-T220μF12062.5 X5R±20％PMK316BBJ227ML-T220μF12102.5 X6S±20％PMK325AC6227MM-T220μF12104 X5R±20％AMK325ABJ227MM-T220μF12104 X6S±20％AMK325AC6227MM-T220μF12106.3 X5 R±20％JMK325ABJ227MM-T330μF12102.5 X6S±20％PMK325AC6337MM-T330μF12104 X5R±20％AMK325ABJ337MM-T470μF18122.5 X6S±20％PMK432C6477MM-T470μF18124 X5R±20％AMK432BJ477MM-T

表1：适用于一般应用的高值MLCCS。

电容外壳尺寸

eIa额定电压。（VDC）温度

特性电容

容差零件号100μF12064 X5R± 20％AMK316ABJ107MLHT100μF12066.3 X5R±20％JMK316BBJ107MLHT100μF12104 X5R±20％AMK325ABJ107MMHT100μF12106.3 X5R±20％JMK325ABJ107MMHT220μF12104 X5R±20％AMK325ABJ227MMHT

表2：高值MLCC高可靠性应用 - 符合AEC-Q200标准。

除了超小型电容器和大容量电容器外，TAIYO YUDEN产品系列还包括特殊类型的电容器，如低ESL电容器，用于高频应用的电容器，高压电容器和阵列型电容器。

结论

由于多层电容器的优势在非线性电容器中，MLCC器件已经证明能够在许多消费，工业和汽车应用中取代聚合物电容器。越来越高价值的MLCC有望加强这一趋势。凭借在将实验室突破转化为大批量生产方面的领先优势，TAIYO YUDEN正在确定高价值MLCC发展的步伐。如今，该公司认识到超高端技术的关键市场需求。其目标是通过开发更先进的微结构在2016年完成并提供1000μF陶瓷电容，从而在MLCC产品中实现更高的电容值。