讀書(shū)筆記——讀《不斷進(jìn)步的電容器-片狀陶瓷電容篇》
歷史
在1961年由美國(guó)公司提出，通過(guò)在超薄介電體上形成電極并進(jìn)行多層重疊，從而實(shí)現(xiàn)了小體積但具備大靜電容量的電容器。
可以看出，這個(gè)就是多個(gè)電容的并聯(lián)，以此得到大的電容值。
目前介電率得到不斷提高，目前已達(dá)到3000左右。這一數(shù)值要比氧化鈦僅為幾十水平的介電率大兩位數(shù)。從介電體的厚度來(lái)看，推出之初為50μm，之后逐漸減薄，目前僅為0.5μm。也就是說(shuō)，與推出之初相比，介電率提高了100倍，厚度減少至1/100。
應(yīng)用
主要在去耦用途上，占到7成左右。
這些片狀獨(dú)石陶瓷電容器的作用大致分為兩種。一是為半導(dǎo)體器件提供電力供應(yīng)的支持。一般而言，半導(dǎo)體器件根據(jù)不同的工作狀態(tài)，所需電流會(huì)有很大變化。有時(shí)會(huì)突然需要大量電力。當(dāng)遇到這種負(fù)荷突變的情況時(shí)，配備在相對(duì)較遠(yuǎn)部位的電源電路（DC-DC轉(zhuǎn)換器等）會(huì)無(wú)法迅速滿(mǎn)足需求。因此，事先在配備在半導(dǎo)體器件周?chē)碾娙萜髦邢确e蓄電力，由電容器來(lái)滿(mǎn)足突然出現(xiàn)的供電需求（圖2）。
圖2：幫助半導(dǎo)體芯片工作的去耦電容器
另一個(gè)作用是去除導(dǎo)致EMI（Electro-Magnetic Interference，電磁干擾）的噪聲成分。也就是濾波器作用。通過(guò)利用電容器高頻阻抗較低這一特點(diǎn)，使高頻噪聲成分到達(dá)電源/接地層。
一般而言，前一種作用被稱(chēng)為去耦電容器，后一種作用被稱(chēng)為旁路電容器。而大容量片狀獨(dú)石陶瓷電容器則可同時(shí)承擔(dān)這兩種作用。這一部分對(duì)去耦和旁路的作用講解的比較清晰。
繼去耦及旁路之后，用途較多的是配備在DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出部分用作平滑濾波器。原來(lái)該用途廣泛使用的是鋁電解電容器及鉭電解電容器。但是，業(yè)內(nèi)為使電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化和薄型化，從20世紀(jì)90年代下半期開(kāi)始使用片狀獨(dú)石陶瓷電容器。
片狀獨(dú)石陶瓷電容器之所以得以在該用途中應(yīng)用，電源半導(dǎo)體廠(chǎng)商的努力功不可沒(méi)。用作平滑濾波器的電容器構(gòu)成了DC-DC轉(zhuǎn)換器中反饋控制環(huán)路的一個(gè)部分。因此，等效串聯(lián)阻抗（ESR：Equivalent Series Resistance）過(guò)小的話(huà)，控制環(huán)路的相位余量就會(huì)變小，容易發(fā)生DC-DC轉(zhuǎn)換器無(wú)法穩(wěn)定工作的問(wèn)題。
而另一方面，電子設(shè)備廠(chǎng)商又對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)小型薄型化有著強(qiáng)烈的需求。因此，電源半導(dǎo)體廠(chǎng)商通過(guò)改進(jìn)DC-DC轉(zhuǎn)換器IC的控制電路，使得使用片狀獨(dú)石陶瓷電容器成為現(xiàn)實(shí)。從2000年起，電源半導(dǎo)體廠(chǎng)商開(kāi)始以能夠使用片狀獨(dú)石陶瓷電容器為賣(mài)點(diǎn)，向電子設(shè)備廠(chǎng)商推銷(xiāo)DC-DC轉(zhuǎn)換器IC。
現(xiàn)在，僅去耦和平滑濾波器用途就已占到片狀獨(dú)石陶瓷電容器市場(chǎng)份額的約7成。此外，用量較大的用途是高頻濾波器用途、阻抗匹配用途以及溫度補(bǔ)償用途等。
目前， 片狀獨(dú)石陶瓷電容器與鋁電解電容器和鉭電解電容器的市場(chǎng)邊界產(chǎn)品為，額定電壓10V左右時(shí)容量為100μF，數(shù)十V時(shí)則為數(shù)十μF。今后，這一界限無(wú)疑將進(jìn)一步向著大靜電容量的方向移動(dòng)。
這里通過(guò)表1列出了片狀獨(dú)石陶瓷電容器、鋁電解電容、鉭電解電容器的相互比較結(jié)果。片狀獨(dú)石陶瓷電容器的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)。
一個(gè)是等效串聯(lián)阻抗（ESR：Equivalent Series Resistance）較小，因此頻率特性出色。ESR是指電容器內(nèi)部電極等的阻抗。這一阻抗較大的話(huà)，除了判斷噪聲吸收特性?xún)?yōu)劣的依據(jù)、即阻抗的頻率特性會(huì)變差之外，阻抗導(dǎo)致的發(fā)熱也不容忽視。因此，在安裝于微處理器、DSP及MCU等半導(dǎo)體芯片的周?chē)，用于?duì)噪聲進(jìn)行吸收的去耦用途時(shí)，較低的ESR值是不可或缺的要素。
另一個(gè)是對(duì)異常電壓具有較強(qiáng)的耐受性。比如，以額定電壓為16V、靜電容量為10μF的產(chǎn)品進(jìn)行直流擊穿電壓的比較時(shí)，鋁電解電容器只有30V，鉭電解電容器也不過(guò)30～60V。而片狀獨(dú)石陶瓷電容器極高，可以達(dá)到約200V。因此，即使電子設(shè)備因某種原因而出現(xiàn)了浪涌電壓或脈沖電壓時(shí)，如果配備的是片狀獨(dú)石陶瓷電容器的話(huà)，仍可將絕緣擊穿導(dǎo)致故障的可能性控制在較低水準(zhǔn)上。
表1 各種電容器的特性比較
而另一方面，片狀獨(dú)石陶瓷電容器的缺點(diǎn)大致有兩個(gè)。
第一是溫度特性較差。具體體現(xiàn)為靜電容量著溫度而變化的幅度較大。鋁電解電容器的容量變化在-55～+125℃的溫度范圍內(nèi)為±15％左右，而片狀獨(dú)石陶瓷電容器不同，有的種類(lèi)（比如F特性的產(chǎn)品）在+30～-80％的范圍內(nèi)便會(huì)大幅變化。因此，在將片狀獨(dú)石陶瓷電容器用于汽車(chē)車(chē)內(nèi)等高溫環(huán)境下或滑雪場(chǎng)等寒冷環(huán)境下的電子設(shè)備時(shí)，需要在考慮了容量變化的基礎(chǔ)上來(lái)設(shè)計(jì)電子電路。
不過(guò)，要注意的是，溫度特性較差的缺點(diǎn)只存在于介電體材料使用鈦酸鋇（BaTiO3）的高介電常數(shù)型（2類(lèi)，CLASS-II）片狀獨(dú)石陶瓷電容器中。使用氧化鈦（TiO2）的1類(lèi)（CLASS-I）片狀獨(dú)石陶瓷電容器，在-55～+125℃范圍內(nèi)的容量溫度系數(shù)最大只有±60ppm/℃。但目前氧化鈦存在介電常數(shù)較小的問(wèn)題，因此未能實(shí)現(xiàn)大容量產(chǎn)品。 所以在大容量方面，瓷片的溫度特性很一般。
圖3：直流電壓特性
片狀獨(dú)石陶瓷電容器具有施加直流電壓后實(shí)際靜電容量減少的特性。這也被稱(chēng)為DC偏壓特性。
第二是存在直流電壓特性（DC偏壓特性）。直流電壓特性是指在向片狀獨(dú)石陶瓷電容器施加直流電壓后實(shí)際靜電容量會(huì)減少的現(xiàn)象（圖3）。比如，在向額定電壓為6.3V、靜電容量為100μF的片狀獨(dú)石陶瓷電容器實(shí)施加直流4V電壓時(shí)，如果是B特性產(chǎn)品的話(huà)，靜電容量就會(huì)減少約20％，F(xiàn)特性產(chǎn)品甚至?xí)䴗p少約80％。而鋁電解電容器和鉭電解電容器則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
因此，在選擇片狀獨(dú)石陶瓷電容器時(shí)，需要事先測(cè)定信號(hào)的直流電壓成分，掌握實(shí)際靜電容量的減少程度（參閱“考慮DC偏壓因素的標(biāo)記方法，JEITA實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化”）。不過(guò)，“利用最尖端微細(xì)加工技術(shù)制造的半導(dǎo)體芯片，其電源電壓已經(jīng)降低到了非常低的程度。最近，在1.0V左右的電壓下工作的芯片也不罕見(jiàn)。因此，直流電壓特性的問(wèn)題還不顯著”（村田制作所 元器件事業(yè)本部 本部長(zhǎng) 山內(nèi)公則）。
另外，出現(xiàn)直流電壓特性問(wèn)題的也僅限于2類(lèi)產(chǎn)品。原因是鈦酸鋇為強(qiáng)介電體的緣故。因此，使用本身為順電體的氧化鈦的1類(lèi)產(chǎn)品不會(huì)發(fā)生直流電壓特性問(wèn)題。同樣存在1類(lèi)產(chǎn)品容量無(wú)法做大的情況，所以用在大的直流偏置上的瓷片電容不合適。
這里，總結(jié)下，也就是說(shuō)由于瓷片電容目前的特性，可以見(jiàn)我上一篇博文《積層陶瓷電容器的電容和散逸因數(shù)度量》，在大容量的情況下，溫度和直流電壓特性都很一般，所以在某些場(chǎng)合還是無(wú)法代替鉭電容和電解電容。
考慮DC偏壓因素的標(biāo)記方法，JEITA實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化
片狀獨(dú)石陶瓷電容器的靜電容量容易隨著被施加的直流電壓而變化。即所謂的DC偏壓特性。因此，在實(shí)際用于電子電路時(shí)，得到的容量與規(guī)格說(shuō)明書(shū)上的數(shù)值不一樣的事情也時(shí)有發(fā)生。電子設(shè)備的設(shè)計(jì)人員如果不掌握DC偏壓特性的話(huà)，最壞的情況是設(shè)計(jì)出來(lái)的電子設(shè)備甚至可能會(huì)無(wú)法正常工作。
為此，日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（JEITA）于2007年制定了“JEITA RCX-2326”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，要求在性能指性中標(biāo)識(shí)在施加直流電壓的狀態(tài)下測(cè)定的容量值。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格規(guī)定的片狀獨(dú)石陶瓷電容器對(duì)象是使用鈦酸鋇介電體材料的2類(lèi)產(chǎn)品。而且限定的是額定電壓為2.5V的產(chǎn)品。也就是說(shuō)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格是以微處理器、DSP及MCU等的供電線(xiàn)路所使用的去耦用途為對(duì)象的。也就是低電壓的情況下使用。
施加直流1.25V電壓進(jìn)行測(cè)定
表A 針對(duì)直流電壓特性的現(xiàn)有規(guī)格與新規(guī)格的比較
比較新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格與原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格“JIS C 5101-22”，不同之處匯總?cè)缦拢ū鞟）。
在靜電容量的測(cè)定上，新規(guī)格改為在施加1.25V直流電壓和0.1Vrms交流電壓的狀態(tài)下對(duì)容量進(jìn)行測(cè)定。而原來(lái)的“JIS C 5101-22”規(guī)格并不要求施加直流電壓，只是要求在施加0.5～1Vrms交流電壓的狀態(tài)下對(duì)容量進(jìn)行測(cè)定。
另外，有關(guān)靜電容量的容許偏差和溫度特性的測(cè)定也改為在施加1.25V直流電壓的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)定。而原規(guī)格則不要求施加直流電壓。
這一新規(guī)格的制定，無(wú)疑可使電子設(shè)備的設(shè)計(jì)人員更為輕松地選用對(duì)自己來(lái)說(shuō)最佳的片狀獨(dú)石陶瓷電容器。目前，村田制作所已向市場(chǎng)投放了符合新規(guī)格要求的產(chǎn)品。對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)，可以在村田的產(chǎn)品上得到，對(duì)于設(shè)計(jì)去耦電路來(lái)說(shuō)，這個(gè)是很重要的參數(shù)，對(duì)于計(jì)算去耦半徑很有意義。
接下來(lái)的趨勢(shì)是小型化，0603已成為主流，2015年以后是0402超過(guò)0603，再接下來(lái)就是0201，以及超薄電容可以嵌入至PCB中，進(jìn)一步減少寄生電感。另外排容的設(shè)計(jì)，又開(kāi)始進(jìn)入人們的視野，其最大的目的在于減少封裝成本和部件管理成本。因?yàn)槭褂眉蓛蓚(gè)電容器元件的排容產(chǎn)品時(shí)，無(wú)論封裝次數(shù)還是庫(kù)存?zhèn)數(shù)均可減少一半。
一款新產(chǎn)品是符合“Controlled-ESR”概念的“LLR系列”。Controlled-ESR是指通過(guò)有意提高ESR （Equivalent Series Resistance，等效串聯(lián)阻抗）數(shù)值來(lái)提高噪聲吸收特性的方法。ESR值較低的話(huà)，在阻抗高頻區(qū)就會(huì)出現(xiàn)劇烈的共振點(diǎn)。這樣在較共振點(diǎn)更高一些的頻率上就會(huì)出現(xiàn)同等程度的反共振點(diǎn)。在反共振點(diǎn)的周邊，阻抗就會(huì)升高，從而無(wú)法高效吸收噪聲。
圖2：通過(guò)有意提高ESR來(lái)抑制反共振點(diǎn)
ESR較低的話(huà)，反共振點(diǎn)處的阻抗就會(huì)升高，從而無(wú)法高效吸收噪聲。通過(guò)有意提高ESR來(lái)抑制反共振點(diǎn)，從而將阻抗降至較低水平。這樣便可高效吸收噪聲。（點(diǎn)擊放大）
Controlled-ESR通過(guò)有意提高ESR值來(lái)抑制反共振點(diǎn)，由此降低阻抗，提高噪聲吸收特性（圖2）。以前電子業(yè)界普遍認(rèn)為“ESR值越低越好”。而Controlled-ESR概念則顛覆了這一“常識(shí)”。目前“尚未得到大量采用，但今后隨著這種概念慢慢為人接受，將會(huì)逐步普及開(kāi)來(lái)”（村田制作所 元器件事業(yè)本部 本部長(zhǎng) 山內(nèi)公則）。
這個(gè)說(shuō)法的確之前沒(méi)有看到過(guò)，提高ESR。實(shí)話(huà)說(shuō)，沒(méi)看懂，以后找找相關(guān)資料充個(gè)電。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-02-25
