鉭電容器或MLCC:如何選擇?

作者 : Knowles

鉭電容和Class II多層陶瓷電容器(MLCC)等不同的電容器類型都有各自的優缺點,掌握每種電容器的特點才能確保選擇了正確技術,有效地滿足特定應用需求...

如今,種類繁多的電容器各具特性,這使得電路設計師和電子工程師很難確定什麼才最適合其應用。更令人困惑的是,對於電容器經常存在一些誤解,例如認為鉭電容和Class II多層陶瓷電容器(MLCC)可以互換,但事實並非總是如此。每種電容器類型都有各自明顯的優缺點,掌握每種電容器的特點才能確保選擇了正確技術,更有效地滿足特定應用需求。本文介紹鉭電容和Class II MLCC,以及在選擇電容器時需要考慮的各種因素。

鉭質電容 vs MLCC

鉭製電容器是一種被動的電解電容器,由陽極(或正極板)、氧化物層(充當電容器的電介質)和陰極(或負極板)組成。更具體地說,鉭電容器使用多孔金屬鉭顆粒作為陽極、氧化物層作為介電層、錳氧化物層作為陰極(圖1)。鉭電容可以分為徑向、軸向和表面貼裝(SMT)形式。

Tantalum Capacitor Figure 1

圖1:典型的鉭電容器結構示意圖。

MLC電容是被動的陶瓷電容,使用陶瓷層作為介質和薄金屬層作為電極(圖2)。MLCC可分為導線式(lead)和表面裝貼(SMT)兩種形式,主要用於低容值(pF-uF)應用。一般情況下,MLCC分為以下兩類:

  • I類(Class I)電容器——高穩定度和低損耗的諧振電路應用
  • II類(Class II)電容器——更高容積效率的旁路和耦合應用

其中,CLASS II MLCC與鉭電容器最具比較性,因為CLASS II MLCC具有更高的容積效率。因此,接下來將側重於討論MLCC中的CLASS II 電容器。

MLCC drawing capacitor post

圖2:MLCC的構造示意圖。

上文已經對這兩種電容器類型的結構差異進行了基本概述,接著討論如何針對應用選擇最適合的電容器,以及需要考慮的各種因素。

容積效率和高容值

鉭電容和MLCC都有很高的容積效率,這意味著在特定尺寸下,這二類電容可以提供高容值。然而,鉭電容的一大優點在於提供高達1,000µf的電容值,是CLASS II MLCC最大電容值的10倍。這使得鉭電容適用於需要快速爆發、小封裝充電的場合,如除顫器和起搏器等醫療植入元件。

等效串聯電阻和頻率範圍

等效串聯電阻(Equivalent Series Resistance/ESR)是電容中的內阻。在高頻範圍尤其是100kHz或更高的頻率下,CLASS II MLCC的ESR比鉭電容低得多,所以在高頻應用如衛星通訊設備中使用時不至於過熱。鉭電容在高頻的可靠性較低,可能導致過度的功率損耗並縮短電池壽命。

由於ESR增加了電路中的阻抗,在高頻條件下,鉭電容在平滑濾波和耦合應用方面不如MLCC有效。

圖3:不同頻率範圍內各種類型電容器的ESR。

圖3顯示了五種不同類型的電容器從低頻到高頻的ESR變化情況,並展現MLCC在最高頻率下顯示的ESR最低。

溫度穩定性、直流偏壓效應和老化

一般來說,鉭電容具備較好的溫度穩定性,在不同工作溫度下的容值的線性變化最小。這使得鉭電容非常適合在極高溫度下工作,例如應用在井下油氣作業中接近125℃的電路中。在這些極端環境中,使用鉭電容比使用CLASS II MLCC容值的變化要小得多。此外,MLCC會受直流偏壓的影響而鉭電容則不會。

另外,鉭電容的容值不會隨著時間的推移而變小,也不存在任何的會隨著電容器的老化而磨損的機制。在CLASS II MLCC中使用的介質是鐵電體,介電常數會隨著時間的推移而降低,從而導致容值下降。同時,CLASS II MLCC是壓電的,這意味著MLCC可能因電壓波動而向各個方向振動,產生無用雜訊。因此,鉭電容非常適合需要長期穩定性、低雜訊和高容值的應用,如汽車電子應用。

圖4:隨著溫度和直流電壓的變化,鉭和MLCC的容值穩定性一覽。

工作電壓和配置

CLASS II MLCC可以安全運行至12kV,而鉭電容的額定電壓則低得多,範圍為4V至50V,具體取決於尺寸。對鉭電容施加高於額定電壓的電壓會導致災難性故障,有可能會引發燃燒、火災、小爆炸和熱失控(5)。因此,包括電源、高壓輸出濾波器和電壓放大器等高壓應用需要的是MLCC而不是鉭電容。

圖5:鉭電容器在超過其安全操作極限下使用後著火的示例。

鉭電容在85℃以上的環境工作,電壓也會線性降低。因此,如需要在最高工作溫度環境下工作,製造商通常建議鉭電容的工作電壓不超過其額定電壓的50% (圖6)。

Temperture and Capacitance graph capacitors post

圖6:鉭電容及CLASS I、CLASS II MLCC的工作溫度和容值之間的關係。

此外,MLCC能以任何方式進行定向,因為它有兩個非極化的側面焊接到電路板上。只要兩個端頭都連接在電路就可以運行。另一方面,鉭電容是極化的,就像電池一樣,這意味著這些電容器需要定向到正確的一端才能正常工作。如果操作不當且電容器受到高反極性脈衝,則有可能出現爆炸性故障。

選擇鉭電容?或是MLCC?

如上所述,鉭電容和MLCC並不一定都能互換。當然如果考慮的參數只有容值時,那麼這兩類電容器可以互換,MLCC相較鉭電容更適用於較低容值的應用中。

然而,大多數的應用往往需要考慮更多的參數,而不僅僅只是容值。因此,在需要大容值、小封裝和長期穩定性的應用中,鉭電容是一個絕佳的選擇。而針對高頻或高壓應用,CLASS II MLCC因其具備的整體可靠性被視為理想之選。

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