引言 随着表面贴装技术(SMT)及便携式电子产品迅猛发展,近年来开发出各种尺寸小、性能好的贴片式元器件(SMD),贴片式多层陶瓷电容器(MLCC)就是十分出色的贴片式元件之一。由于它有极好的性能、多种不同的品种、规格齐全、尺寸小、价格便宜,并且有可能取代铝电解电容器及钽电解电容器等特点,得到极其广泛的应用。 本文介绍MLCC的主要参数、特性、应用指南,便于用户正确选择及应用。 工作温度范围及温度特性 根据所用介质材料的不同,MLCC的工作温度范围及温度特性(用温度系数或电容量变化百分比来表示)如表1所示,不同介质材料的温度特性曲线分别如图1~5所示。 按美国电工协会(EIA)标准,不同介质材料的MLCC按温度稳定性分成三类:超稳定级(工类)的介质材料为COG或NPO;稳定级(II类)的介质材料为X7R;能用级(Ⅲ)的介质材料Y5V。
精度等级及代码 MLCC的精度(允差)等级分成9级,如表2所示。这里要注意的是温度稳定性类别与允差是有关的,并且其电容量的基数也不同,如表2所示。电容量数如表3所示。 COG(NPO)I类的电容量较小,一般在2200pF以下(最大值0.1μF);X7RⅡ类的电容量一般在100pF~2.2μF之间;Y5VⅢ类的电容量范围较大,一般为1000pF~100μF。 额定电压(耐压) MLCC有耐高压品种,JOHANSON公司有容量10pF~0.68μF、耐压范围为500~5000V的系列。一般常用的耐压范围为10~200V(250V),但最常用的耐压范围是10~50V。
这里要注意的是,耐压高电容器的容量小,如耐压达200V,其容量小于 3.3μF;大容量(25~100μF)电容器,其耐压不超过25V。所选的电容器的额定电压必须大于最大工作电压。
尺寸及尺寸代码 MLCC的外形非常标准,如图6所示。常用的尺寸代码如表4所示(以JOHANSON公司16~200V产品为例)。 某些容量大的电容器要用两个或三个电容器堆叠并联而成(最多堆叠5个)。以NIPPON CHEMI-CON公司的THP系列为例,共有三种形式:A、B、C其外形如图7所示,尺寸如表5所示。 THP型1~100μF电容器的不同耐压及封装型式如表6所示。 MLCC的主要特点 1.等效串联电阻(ESR)小,阻抗(Z)低 一种低阻抗型0.1μFMLCC(X7R)在不同频率时的ESR及Z的特性曲线如图8所示。从图中可以看出:在10MHz频率左右有较低的ESR(小于 0.02Ω)及Z(0.04Ω)。图9是在额定电压和电容量相同的情况下,钽电解电容器与Y5V(III类)MLCC在不同频率下的ESR的比较:在 0.1~10Mhz范围内,MLCC的ESR要比钽电解电容器小几十倍。图10是4.7μF的MLCC,47μF的铝电解电容器及10μF的钽电解电容器在不同频率时的阻抗(Z)比较。从图中可以看出在0.1~10MHz范围内,4.7μF的MLCC远比10倍容量的铝电解电容器及2倍以上容量的钽电解电容器阻抗要小得多。因此,在高频工作条件下,它有可能取代尺寸大或价格高的铝电解电容器或钽电解电容器,并有更好的性能。
2.额定纹波电流大 电容器的一个重要功能是用做平滑滤波器,因此额定纹波电流大小是一个重要性能指标。在设计滤波电路中,电容器的额定纹波电流要大于电路的最大纹波电流。由于MLCC的ESR小,因此它的额定纹波电流大。这里举一个实例来说明。1500μF/25V的铝电解电容器的额定纹波电流(100kHz、105℃)为1.95A,而THC系列15μF/25V的MLCC的额定纹波电流是2A(电容量要差100倍!)。这是因为MLCC在100kHz时的ESR小于 0.01Ω,大电流的充、放电不会使电容器因过热而损坏。 NIPPON CHEMI-CON公司的THC系列的额定纹波电流与电容器的尺寸代码关系如表7所示。可以看出尺寸虽小但额定纹波电流不低。 3.品种、规格齐全 MLCC的品种、规格齐全。有耐高压系列(500~5000V)、EMI滤波系列、低阻抗系列、有高精度调谐系列(RF频段)及多个电容器阵列,适合各方面应用。 4.尺寸小(耐压10V) MLCC中0402尺寸的电容器的容量可达0.047μF(X5R)、0.1μF(Y5V),0603尺寸的可达1μF(Y5V),0805尺寸的可达2.2μF(Y5V)。这对便携产品节省空间具有很大意义,而且10V的耐压也很适合便携应用。 5.无极性 由于无极性,其装配更为方便。 这里将几种电容器的ESR及漏电流作一个比较,如表8所示。 应用领域 MLCC可适用于各种电路,如振荡电路、定时或延时电路、耦合电路、去耦电路、平滤滤波电路、抑制高频噪声电路、旁路等。近年来还在DC/DC变换器电路、电荷泵变换器电路中得到了极其广泛的应用。这些电源电路中的工作频率已提高到1~3MHz,在这个频率范围内MLCC有极好的性能,它不仅减小了能量损耗、纹波电压,提高了转换频率,并且体积小,成本低(取代了钽电解),这对便携产品具有重要意义。
选用及应用指南 选择MLCC有六个参数:电容量、耐压、介质材料、精度等级、尺寸代码及包装(与装配机械协调)。本文已介绍前五个参数,可以根据电容器在电路中的工作温度、工作电压、电路精度要求等条件,参数上述表格、资料选择合适的MLCC。 在应用中要设计焊盘尺寸,并确定焊接工艺以保证焊接质量。这里介绍焊盘尺寸及三种不同焊接的温度特性。 MLCC的焊盘尺寸设计可参考图11及表9。 MLCC的焊接可采用回流焊、气相同流焊及波峰焊,其加温特性如图12~图14所示。 有少数设计者在选择电容器时提出过高的精度要求及耐压要求;时有选择电容量较偏僻的情况。这样往往会造成成本过高或延长采购周期。因此,在设计过程中应充分了解市场供应情况,以免造成生产周期的延长及生产成本的增加。
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