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二类MLCC电介质和电容缺失

Knowles Precision Devices公司Steve Hopwood 2019-05-23

大多数为其应用程序选择MLCC的设计人员都熟悉被描述为一类或二类的电介质,但可能不理解它实际意味着什么或者它可能产生什么影响。MLCC通常用其陶瓷温度系数(TCC)来衡量,但它们的电压系数(VCC)经常被忽视。在实际应用中, TCC可能具有误导性,而VCC会对器件的实际有效电容产生更大的影响。在本文中,我们将讨论两个不同特性的实际含义和它们可能产生的影响。rsQ电子头条

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一类和二类陶瓷电介质rsQ电子头条

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陶瓷电介质根据其基本特性分为两类:一类和二类。以下示例将这些特性反映在EIA发布的3位电介质代码中。rsQ电子头条

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表1. 1类电介质是最稳定但具有最低K(介质常数)值,因此无法实现最高电容值。rsQ电子头条

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•C0G(0±30ppm /ºC)最常见,其次是U2J(-750±120ppm /ºC)rsQ电子头条

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•C0G与NP0相同(负正零)rsQ电子头条

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•有时也会看到P90(正90)rsQ电子头条

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表2. 2类电介质具有更高的K(C0G的40至50倍)值,这意味着可获得更高的电容,但是随着温度或施加的电压的变化,其稳定性更差。rsQ电子头条

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•X7R(-55ºC/ +125ºC/±15%)和X8R(-55ºC/ +150ºC/±15%)是最常见的rsQ电子头条

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•有时会遇到X7S(-55ºC/ +125ºC/±22%)和X7T(-55ºC/ +125ºC/ + 22%/ - 56%)rsQ电子头条

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这些代码使我们能够预测到温度范围内电容的最大变化,但可能会混淆这些数字实际上什么意思?rsQ电子头条

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二类rsQ电子头条

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二类是最容易处理的。以X7R电容为例,温度引起的电容变化将在-55ºC至125ºC的+/- 15%范围内。注意,这不是额定电容值的+/- 15%,而是从环境温度起始电容值变化的+/- 15%。例如,我们有一个X7R电容,其容差为+/- 10%。环境温度下的电容值可以是-10%。在工作温度范围内,电容值可能会从这个值变化-15%,所以会下降到额定电容值的76.5%。rsQ电子头条

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一类rsQ电子头条

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一类更难计算。采用温度变化为30ppm /ºC的C0G MLCC。假设额定电容值是在25ºC下测量的,那么我们在最坏情况下的电容测量值可能是100ºC,因此电容可以改变(30 x100 =)3000ppm /ºC或最大为0.3%。这可能看起来非常小,但这些电容有时可以以+/- 0.1%的最小误差购买,因此应该考虑。 rsQ电子头条

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组件之间的差异rsQ电子头条

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注意,介质分类X7R / C0G等本身不是介质材料的类型。每个制造商可能在其范围内使用多种类型的电介质,每种电介质都有自己的TC曲线,因此组件内可能存在自然变化。rsQ电子头条

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这些图仅给出了随温度变化的数字。一类器件的电压变化很小,它们被认为没有变化。然而,对于二类器件而言,在施加满额定电压的情况下,电压的变化降低85%至90%,这可能会令人震惊。rsQ电子头条

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这些被忽视的电压变化的数字为什么令人震惊? rsQ电子头条

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图1. X7R(Type 2)MLCC的典型VC曲线rsQ电子头条

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考虑影响VCC的因素以及定义MLCC实际电容的因素。VCC由介质材料的特性和施加到该材料上的电应力控制,以V/微米表示。rsQ电子头条

设计电容rsQ电子头条

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设计电容使用以下公式计算rsQ电子头条

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其中:C =总电容rsQ电子头条

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n =有源电极对数(单个单层电容器)rsQ电子头条

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K =陶瓷材料的介质常数rsQ电子头条

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d =层间介质厚度 rsQ电子头条

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图2.芯片电容图rsQ电子头条

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多年来已开发出新的电介质,但这些电介质集中在环境问题(例如无铅电介质)或提高可靠性。材料的K或VCC性能方面没有真正的改善。由于制造方面的改进导致可靠的薄层,所以介质常数‘K’保持相对不变,但介质厚度‘d’却显著降低。rsQ电子头条

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当MLCC刚开发出来的时候,当时的制造技术无法实现非常薄的介质厚度和一致的可靠性,因此VCC性能并没有那么差—厚层导致低V /微米应力水平。随着多年来制造技术的改进,制造商可以实现更薄的层。制造商要么减少电极数量(降低成本),要么利用这种改进,在相同额定电压下,在较小的机箱尺寸下提供更高的电容。这些制造改进产生了我们如今高可靠性的组件,但该组件也被供应商用来最大化单位体积的电容。rsQ电子头条

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每个制造商的整体数字意味着部件上更高的电压应力—电介质上每微米电压更高—这意味着实际电容/电压曲线在施加电压下下降得更显著。rsQ电子头条

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结论rsQ电子头条

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整体电容值并不总是可以在工作电压下得到的。花时间了解组件的性能,并与供应商讨论实际性能。rsQ电子头条