MLCC的選擇標準:不要盲目地依靠工具選擇元件

作者 : Jürgen Geier,儒卓力陶瓷電容器技術支援

微型化一直是多層陶瓷電容器(MLCC)產品的熱門趨勢。然而縮小尺寸並不是一個簡單的過程,特別是需要考慮到許多邊界條件。雖然數位工具可以提供很多的協助,但用戶如果完全依賴這些工具,往往會忽略了一些關鍵的技術問題。

多層陶瓷電容器(MLCC)的體積很小,可用於實現小型化。然而,考慮ESD保護、EMI干擾和熱管理等因素,以及與這些因素相關的典型特性和漂移,也是非常重要的。雖然開發人員逐漸使用數位工具來簡化選擇元件的過程,但仍然需要考慮到上述各個方面,才能夠快速實現設計目標,並且避免不必要的重複設計工作。

首先,我們建議在縮小尺寸時,不要簡單地沿用MLCC的現有參數組合,尤其是電容(又稱C值)和電壓,而是要根據應用的實際需求、甚至是個別元件的功能來做決定。理想情況下,應當考慮供應商最好的型款。除了電容和電壓外,其他的重要參數還包括阻抗和等效串聯電阻(ESR)。

特別是對於高電容(hi-cap)元件,也就是C值以μF為單位的MLCC產品,其直流偏壓(DC bias)效應也是需要考慮的重要因素。直流偏壓是由於所施加的直流電壓而導致電容降低的效應。在額定電壓下,電容可能下降到標稱C值的20%左右,具體數值取決於元件本身,因此在操作期間必須注意絕對最小C值。

1顯示多個直流偏壓曲線範例,顯示使用較小型元件可使直流偏壓率大幅提高。

1:較小型MLCC具有較高的直流偏壓率(圖片來源:Murata)

影響直流偏壓性能的另一個因素是工作溫度,如2的圖表所示,對於標稱C值較高的小型MLCC電容,直流偏壓的剩餘電容和溫度遠遠高於標稱C值較低的大型MLCC電容。

2:與較大型電容相比,小型電容具有更高的剩餘電容。(圖片來源:Murata)

在針對標稱C值為MLCC進行分級時,開發人員應根據基本指導數值(13)進行選擇,這表示,在理想情況下應該只使用具有標準容差的最佳數值。事實上,我們已經不用對Z5U和Y5V陶瓷類型電容有所期待,因為這類元件逐漸停產,其中有些實際上已經停產了。

1:電容分級。

2:容差代碼。

3:最佳MLCC參數組合。(電容> 1μFE3系列最佳)

除了直流偏壓問題外,二類陶瓷電容器(如X7R和X5R)還需要考慮溫度漂移和老化問題。

使用4可以比較容易確定溫度漂移。例如,這個表格顯示X5R MLCC在–55℃至+85℃的溫度範圍內具有±15%的可預測溫度漂移。

4:不同MLCC元件的溫度漂移。(資料來源:Samsung)

3:將MLCC放置在非常高的溫度下一段時間之後,可以逆轉老化效應。(圖片來源:Samsung)

MLCC也會老化

老化現象會導致MLCC的電容值隨著時間的推移而降低,呈對數關係差距(per logarithmic decade)減少,大約在1%到6%之間,這意味著我們可以按此估算1小時後、10小時後、100小時後的電容損耗,依此類推。因此,MLCC的C值越高且內層越薄,MLCC就越容易老化。也就是說,與直流偏壓和溫度漂移的影響相較,老化基本上是可以忽略不計的因素,儘管它在測量用於容差測試的C值時發揮關鍵作用。

MLCC元件的老化與生物的老化不同,本質上是可逆的。適當的熱處理可以逆轉老化效應。為了實現去老化,MLCC元件通常會放置在150℃下1小時,然後靜置24小時。電焊操作也可以去老化。

從整體來看各種C值漂移,很明顯,建議使用±10%標準容差的二類電容器,將會比±5%標稱容差的好,即便是有些供應商仍然供應和交貨±5%標稱容差的電容產品。結果是引起了對於遵守容差範圍的無意義辯論。在測量過程中,經常無法滿足有關測量裝置和測量條件的要求,例如測量電壓(通常定義1.0 V為有效值)在測量過程中出現下降,從而導致顯示的電容值過低。

最好根據電壓要求留有餘地

即使沒有明確標示,指定電壓通常是直流電壓。如果該數值為交流電壓,則會標明例如‘250V AC’。供應商通常會在詳細資料表、或是在規格或應用資訊中提供其他詳細資訊,例如與紋波電流或峰對峰值(peak-to-peak)等相關資訊。請注意,具有相同C值但介電強度更高(不考慮可預測性或錯誤率方面)的MLCC往往具有更厚的內層,因此降低了直流偏壓效應。

也就是說,有些供應商會繼續為目前支援50V電壓的電容器提供較低的電壓規格。 在這兩種情況中,規格超過電壓要求最終都不是問題,例如,對於16V電壓要求,可以使用指定電壓為25V或50V的MLCC電容器。

除了此處考慮的基本參數外,在選擇MLCC元件時還有許多其他方面的因素,例如,取決於應用和使用領域的所需品質水準或特性。此類特性可能包括汽車等級要求(通常符合AEC-Q200標準)或軟端子要求(也稱為flexiterm、撓性端子、樹脂外電極端子、聚合物端子、以及其他類似表現),可以防止在彎曲PCB時形成明顯可見的裂縫(4)。

4:具有特定屬性的MLCC以滿足特殊要求。(圖片來源:Murata)

實現小型化的動力

小型化的背後動機還有其他含義。雖然業界一直在推動現代電子產品提供更多性能以滿足要求,但這樣一來也逐漸限制了PCB上面的空間。今日推動微型化的主要因素更可能是因為供貨和成本效益(5),對供應商而言尤其如此。對於開發人員來說,這意味著他們要持續不斷去適應供應商的步伐,如果他們想保持靈活性和成本效益,就必須為其他替代元件保留足夠的空間,而雙來源採購則成為實現這一目標的關鍵。在充滿挑戰的市場條件下尤其如此,這種情況總是會出現,即使只是暫時的。

5:各種結構尺寸MLCC電容的成本效益比較。(圖片來源:Vishay)

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論