片式電容及其應用

0 引言

片式電容具有容量大，體積小，容易片式化等特點，是當今移動通信設備、計算機板卡以及家電遙控器中使用最多的元件之一。為了滿足電子設備的整機向小型化、大容量化、高可靠性和低成本方向發(fā)展的需要，片式電容本身也在迅速地發(fā)展：種類不斷增加，體積不斷縮小，性能不斷提高，技術不斷進步，材料不斷更新，輕薄短小系列產(chǎn)品已趨向于標準化和通用化。其應用正逐步由消費類設備向投資類設備滲透和發(fā)展。

此外，片式電容還在朝著多元化的方向發(fā)展：①為了適應便攜式通信工具的需求，片式電容器正向低電壓、大容量、超小和超薄的方向發(fā)展。②為了適應某些電子整機(如軍用通信設備)的發(fā)展，高耐壓、大電流、大功率、超高Q值、低ESR型的中高壓片式電容器也是目前的一個重要的發(fā)展方向。③為了適應線路高度集成化的要求，多功能復合片式電容器正成為技術研究熱點。

1 片式疊層陶瓷介質電容器

在片式電容器里用得最多的是片式疊層陶瓷介質電容器。

片式疊層陶瓷電容器(MLCC)，簡稱片式疊層電容器(或進一步簡稱為片式電容器)，是由印好電極(內(nèi)電極)的陶瓷介質膜片以錯位的方式疊合起來，經(jīng)過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層(外電極)，從而形成一個類似獨石的結構體，故也叫獨石電容器，如圖1所示。


圖1表明，片式疊層陶瓷電容器是一個多層疊合的結構，其實質是由多個簡單平行板電容器的并聯(lián)體。因此，該電容器的電容量計算公式為 C=NKA／t

式中，C為電容量；N為電極層數(shù)；K為介電常數(shù)(俗稱K值)；A為相對電極覆蓋面積；t為電極間距(介質厚度)。

由此式可見，為了實現(xiàn)片式疊層陶瓷電容器大容量和小體積的要求。只要增大N(增加層數(shù))便可增大電容量。當然采用高K值材料(降低穩(wěn)定性能)、增加A(增大體積)和減小t(降低電壓耐受能力)也是可以采取的辦法。

這里特別說一說介電常數(shù)K值，它取決于電容器中填充介質的陶瓷材料。電容器使用的環(huán)境溫度、工作電壓和頻率、以及工作的時間(長期工作的穩(wěn)定性)等對不同的介質會有不同的影響。通常介電常數(shù)(K值)越大，穩(wěn)定性、可靠性和耐用性能越差。

常用的陶瓷介質的主要成分是MgTiO3、CaTiO3、SrTiO3和TiO2再加入適量的稀土類氧化物等配制而成。其特點是介質系數(shù)較大、介質損耗低、溫度系數(shù)小、環(huán)境溫度適用范圍廣和高頻特性好，用在要求較高的場合(I類瓷介電容器)中。

另一類是低頻高介材料稱為強介鐵電陶瓷，常用作Ⅱ類瓷介電容器的介質，一般以BaTiO3為主體的鐵電陶瓷，其特點是介電系數(shù)特別高，達到數(shù)千，甚至上萬；但是介電系數(shù)隨溫度呈非線性變化，介電常數(shù)隨施加的外電場也有非線性關系。

目前最常用的多層陶瓷電容器介質有三個類型：COG或NPO是超穩(wěn)定材料，K值為10～100；X7R是較穩(wěn)定的材料，K值為2 000～4 000；Y5V或Z5U為一般用途的材料，K值為5 000～25 000。在我國的標準里則分為I類陶瓷(C C 4和CC41)及Ⅱ類陶瓷(CT4和CT41)兩種。上述材料中，COG和NPO為超穩(wěn)定材料，在-55℃～+125℃范圍內(nèi)電容器的容量變化不超過± 30ppm／℃。

其余材料是按其工作溫度的范圍和電容量的變化率來命名的。詳見表1。


幾種常用的片式電容器的介質材料中：

X7R代表使用溫度范圍為-50℃至+125℃；在此范圍內(nèi)的電容量變化可達到±15％。

Z5U代表使用溫度范圍為+10℃至+85℃；在此范圍內(nèi)的電容量變化從-56%至+22%。

Y5V代表使用溫度范圍為-30℃至+85℃；在此范圍內(nèi)的電容量變化從-82%至+22%。

這些關系表明，在實際使用時，對片式電容器選擇不能一味只考慮體積和價格，如果有使用的環(huán)境溫度問題，還應當注意電容器的介質帶來的電容量變化問題。圖2畫出了不同材質電容器電容量以及介質損耗隨溫度變化的曲線。

下面是不同材質電容器的性能和應用事項：

①NPO電容器

NPO電容器是電容量和介質損耗最穩(wěn)定的電容器。它的填充介質是由銣、釤和一些其它稀有氧化物組成的。在溫度從-55℃到+125℃時容量變化為0±30ppm／℃，電容量隨頻率及相對使用壽命的變化都非常小。

隨封裝形式不同，其電容量和介質損耗隨頻率變化的特性也不同，大封裝尺寸的NPO電容器要比小封裝尺寸的頻率特性好。

NPO電容器適合用于振蕩器、諧振器的槽路電容，以及高頻電路中的耦合電容。

②X7R電容器

X7R電容器被稱為溫度穩(wěn)定型的陶瓷電容器。當溫度在-55℃到+125℃時其容量變化為15％，需要注意的是此時電容器容量變化是非線性的。

X7R電容器的容量在不同的電壓和頻率條件下是不同的，它也隨時間的變化而變化，但是要比Z5U和Y5V電容器好得多。


X7R電容器主要應用于要求不高的工業(yè)應用，而且當電壓變化時其容量變化是可以接受的條件下。它的主要特點是在相同的體積下電容量可以做的比較大。

③Z5U電容器

Z5U電容器稱為“通用”陶瓷片式電容器。它最主要優(yōu)點的是小尺寸和低成本。對于已經(jīng)講過的三種片式電容來說，在同樣的體積下，Z5U電容器具有最大的電容量。但它的電容量受環(huán)境和工作條件影響較大，另外介質損耗可以達到3％。

盡管它的容量不穩(wěn)定，但是這種電容器所特有的體積小、等效串聯(lián)電感(ESL)和等效串聯(lián)電阻(ESR)低、以及良好的頻率響應等優(yōu)點，使得這種電容器還是獲得了廣泛的應用，尤其是在退耦電路的應用中。

④Y5V電容器

Y5V電容器是一種有一定溫度限制的通用電容器，在-30℃到+85℃范圍內(nèi)其容量變化可以達到+22％至-82％，另外介質損耗可以達到5％。但是Y5V的高介電常數(shù)允許在較小的物理尺寸下制造出高達4．7μF的電容器。

下面是用以說明片式電容器性能的主要技術指標：

①容量與誤差：實際電容量和標稱電容量允許的最大偏差范圍。

常用的電容器其精度等級和電阻器的表示方法相同。用字母表示：D級：±0．5％；F級：±1％；G級：±2％；J級：±5％；K級：±10％；M級：±20％。

②額定工作電壓：電容器在電路中能夠長期穩(wěn)定、可靠工作，所承受的最大直流電壓，又稱耐壓。對于結構、介質、容量相同的器件，耐壓越高，體積越大。

③溫度系數(shù)：在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃，電容量的相對變化值。溫度系數(shù)越小越好。

④絕緣電阻：用來表明漏電大小的。一般小

容量的電容，絕緣電阻很大，在幾百兆歐姆或幾千兆歐姆。電解電容的絕緣電阻一般較小。相對而言，絕緣電阻越大越好，漏電也小。

⑤損耗：在電場的作用下，電容器在單位時間內(nèi)發(fā)熱而消耗的能量。這些損耗主要來自介質損耗和金屬損耗。通常用損耗角正切值來表示。

⑥頻率特性：電容器的電參數(shù)隨電場頻率而變化的性質。在高頻條件下工作的電容器，由于介電常數(shù)在高頻時比低頻時小，電容量也相應減小。損耗也隨頻率的升高而增加。另外，在高頻工作時，電容器的分布參數(shù)，如極片電阻、引線和極片間的電阻、極片的自身電感、引線電感等，都會影響電容器的性能。所有這些，使得電容器的使用頻率受到限制。

在實際使用中，除了要注意環(huán)境溫度變化對電容器電容量變化的影響外，還要注意工作電壓和儲存時間對電容器電容量變化的影響。

①電容器的使用電壓對電容器的電容量有影響，穩(wěn)定性低的介質，在施加額定工作電壓后容量會大幅度下降(見圖3)，以至達不到使用效果，這一點在選擇電容器時必須給以充分注意(不能一味追求大容量和小體積，必須在容量和使用電壓上留有充分余地)。


②儲存時間對電容器的容量也有影響，對超穩(wěn)定的電容器，如COG和X7R，隨時間增長電容器容量的變化不大。可是Z5U／Y5V這類電容，隨時間增長，存放1 000小時的電容量變化可以高達5％～10％，或更大。但是這類電容器容量的老化是可逆的。每次將電容溫度升到125℃，老化過程便重新開始。所以當這類電容器的存放時間超過1000小時后所發(fā)生的容量偏低現(xiàn)象不屬于產(chǎn)品的質量問題，其特性是符合國際規(guī)范的。對于容量偏低的電容器的通用解決辦法是，即將電容器放在150℃左右的環(huán)境下預熱1小時。其電容量就恢復正常值。

2 片式電容器在設備電磁干擾抑制中的應用

片式電容器在一般電子電路中的主要應用有：濾波、耦合、去耦、旁路、諧振、時間常數(shù)(定時)和反饋等等。其中：

①濾波：并聯(lián)在電源電路的正負極之間，把電路中無用的交流去掉(或將整流后的單向脈動電壓中的交流分量濾掉，使單向脈動變成平滑的直流)。

②去耦：并接于電路電源接線的正負極之間，可防止各部分電路通過電源內(nèi)阻引起的相互干擾(嚴重時還會產(chǎn)生寄生振蕩)。

③旁路：并接在電阻兩端或由某點直接跨接至共用電位點，為交直流信號中的交流或脈動信號設置一條通路，避免交流成分在通過電阻時產(chǎn)生壓降。

片式電容器在設備中的電磁干擾抑制，實際上只是片式電容器在電路中應用的一個方面，只不過為了突出《片式電磁兼容對策器件》中的“對策”作用，才把它專門列成一節(jié)。

上面講到的電源線路濾波和去耦也是設備電磁干擾抑制應用的一部分。此外還有信號線的共模濾波，信號線和電源線的輻射抑制等。

為了使片式電容干擾抑制的效果更加顯現(xiàn)，有時往往還要與片式磁珠和片式電感器結合起來一起使用。現(xiàn)時還有一種將電容和電感綜合在一個元件里的片式疊層復合器件可以供應，使得使用更加方便，使用效果也更好。

3 片式電容器的線路形式

1)片式二端電容器

二端形式的片式電容器是使用最普遍的片式電容器，這里以日本村田制作所產(chǎn)品為例給說明。

村田的片式電容器產(chǎn)品極其豐富，有一般的去耦和濾波用電容器(規(guī)格多、容量大，還有排容產(chǎn)品)，以及頻率控制、調(diào)諧和阻抗匹配用電容器(帶溫度補償)，高速和高頻電路去耦用電容器(低電感和低電阻)，中、高壓轉換用電容器(高電壓、大容量)，交流電路用電容器(符合安規(guī)要求)以及汽車傳動與安全設備專用電容器等等。用戶可根據(jù)不同需要予以選擇合適的電容器。

下面是村田制作所的GRM15／18／21／31系列的片式電容器，見圖4：


?、貵RM18／21／31系列片式電容器適合于波峰及回流焊接；GRM15系列片式電容器只適合回流焊接。

②GRM1 5／18／21／31系列片式電容器備有長×寬×厚度為1．0×0．5×0．5mm至3．2×1．6×1．6mm的多種尺寸可供選用。

③GRM15／18／21／31系列片式電容器的適用電壓包括6．3V、10V、16V、25V、50V、100V。200V和500V等多個等級；根據(jù)使用的介質材料分，有COG至Y5V等多種片式電容器可以選擇。

④GRM15／18／21／31系列片式電容器可用在一般用途的電子設備中。

村田制作所還生產(chǎn)一種排容，在一個器件中有2至4個電容，尤其適合在單片機的總線上使用，見圖5。


2)片式三端電容器

我們平常使用的陶瓷圓片電容器作為旁路電容，可以將高頻干擾短路到地，達到抗干擾的目的。但是電容器的引線電感及電容內(nèi)部的剩余電感卻限制了它的高頻特性發(fā)揮。圖6是普通電容器做高頻旁路時的引線電感影響例。


從圖6中可見，電容器的插入損耗一開始隨頻率增加而增加，直至達到自諧振頻率(等效電感與電容的串聯(lián)諧振)，插入損耗也達到最大值。此后，由于等效電感的感抗增大，使插入損耗開始下降。

為了在高頻時也有較好的旁路作用，必須讓旁路電容的自諧振頻率也較高，所以電容器的引線絕對不能長。另外，旁路電容也不是越大越好，電容大，自諧振的頻點偏低。所以，最好的辦法是通過試驗來選擇合適的電容，盡可能讓要抑制的干擾頻率與自諧振點一致，以便使擔當濾波的電容器帶來的插入損耗為最大。

由于普通的兩端電容有引線電感，所以總的剩余電感較大，自諧振點也比較低。為了改進普通引線式電容器的自諧振、且自諧振頻率偏低的問題，村田制作所曾發(fā)展了一種引線式三端電容器，見圖7。與兩端電容相比，這個電容的上引線化成了兩根(所以三端電容有三根引線)。三端電容器的這兩根上引線化成了信號傳輸線的一部分，于是引線電感與電容器變成了一個“LC”濾波器。正是三端電容器巧妙地利用了引線電感，使得三端電容器對干擾的抑制作用更好。三端電容器也有自諧振問題，為了最大限度地限制這個問題，使用時三端電容器接地的這根引腳的長度應該受到限制。


應該說片式二端電容器的出現(xiàn)對于改進普通引線式電容器的自諧振問題是很有好處的，因為片式二端電容器的引線長度得到了最大限度縮減。但由于電容器內(nèi)部的構造，并不能夠消除內(nèi)部電極的殘留電感，這樣當頻率達到使電容器的容抗XC同殘留電感的XL的絕對值相等時，二端電容依然會產(chǎn)生自諧振，參見圖8。由于自諧振頻率的存在，當噪聲的頻帶超過自諧振頻率之后，噪聲的抑制效果會急速下降。但是與普通有引線的二端電容相比較，還是有很大改進。