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。
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。
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(圖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)。
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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