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什么是片式电容及其应用?

作者:power   来源:网络   点击:    日期:2009-12-12    

0 引言
  片式电容具有容量大,体积小,容易片式化等特点,是当今移动通信设备、计算机板卡以及家电遥控器中使用最多的元件之一。为了满足电子设备的整机向小型化、大容量化、高可靠性和低成本方向发展的需要,片式电容本身也在迅速地发展:种类不断增加,体积不断缩小,性能不断提高,技术不断进步,材料不断更新,轻薄短小系列产品已趋向于标准化和通用化。其应用正逐步由消费类设备向投资类设备渗透和发展。
  此外,片式电容还在朝着多元化的方向发展:①为了适应便携式通信工具的需求,片式电容器正向低电压、大容量、超小和超薄的方向发展。②为了适应某些电子整机(如军用通信设备)的发展,高耐压、大电流、大功率、超高Q值、低ESR型的中高压片式电容器也是目前的一个重要的发展方向。③为了适应线路高度集成化的要求,多功能复合片式电容器正成为技术研究热点。
  1 片式叠层陶瓷介质电容器
  在片式电容器里用得最多的是片式叠层陶瓷介质电容器。
  片式叠层陶瓷电容器(MLCC),简称片式叠层电容器(或进一步简称为片式电容器),是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片,再在芯片的两端封上金属层(外电极),从而形成一个类似独石的结构体,故也叫独石电容器,如图1所示。
  图1表明,片式叠层陶瓷电容器是一个多层叠合的结构,其实质是由多个简单平行板电容器的并联体。因此,该电容器的电容量计算公式为      C=NKA/t
  式中,C为电容量;N为电极层数;K为介电常数(俗称K值);A为相对电极覆盖面积;t为电极间距(介质厚度)。
  由此式可见,为了实现片式叠层陶瓷电容器大容量和小体积的要求。只要增大N(增加层数)便可增大电容量。当然采用高K值材料(降低稳定性能)、增加A(增大体积)和减小t(降低电压耐受能力)也是可以采取的办法。
  这里特别说一说介电常数K值,它取决于电容器中填充介质的陶瓷材料。电容器使用的环境温度、工作电压和频率、以及工作的时间(长期工作的稳定性)等对不同的介质会有不同的影响。通常介电常数(K值)越大,稳定性、可靠性和耐用性能越差。
  常用的陶瓷介质的主要成分是MgTiO3、CaTiO3、SrTiO3和TiO2再加入适量的稀土类氧化物等配制而成。其特点是介质系数较大、介质损耗低、温度系数小、环境温度适用范围广和高频特性好,用在要求较高的场合(I类瓷介电容器)中。
  另一类是低频高介材料称为强介铁电陶瓷,常用作Ⅱ类瓷介电容器的介质,一般以BaTiO3为主体的铁电陶瓷,其特点是介电系数特别高,达到数千,甚至上万;但是介电系数随温度呈非线性变化,介电常数随施加的外电场也有非线性关系。
  目前最常用的多层陶瓷电容器介质有三个类型:COG或NPO是超稳定材料,K值为10~100;X7R是较稳定的材料,K值为2 000~4 000;Y5V或Z5U为一般用途的材料,K值为5 000~25 000。在我国的标准里则分为I类陶瓷(C C 4和CC41)及Ⅱ类陶瓷(CT4和CT41)两种。上述材料中,COG和NPO为超稳定材料,在-55℃~+125℃范围内电容器的容量变化不超过± 30ppm/℃。
  其余材料是按其工作温度的范围和电容量的变化率来命名的。详见表1。
  几种常用的片式电容器的介质材料中:
  X7R代表使用温度范围为-50℃至+125℃;在此范围内的电容量变化可达到±15%。
  Z5U代表使用温度范围为+10℃至+85℃;在此范围内的电容量变化从-56%至+22%。
  Y5V代表使用温度范围为-30℃至+85℃;在此范围内的电容量变化从-82%至+22%。
  这些关系表明,在实际使用时,对片式电容器选择不能一味只考虑体积和价格,如果有使用的环境温度问题,还应当注意电容器的介质带来的电容量变化问题。图2画出了不同材质电容器电容量以及介质损耗随温度变化的曲线。
  下面是不同材质电容器的性能和应用事项:
  ①NPO电容器
  NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃,电容量随频率及相对使用寿命的变化都非常小。
  随封装形式不同,其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同,大封装尺寸的NPO电容器要比小封装尺寸的频率特性好。
  NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容,以及高频电路中的耦合电容。
  ②X7R电容器
  X7R电容器被称为温度稳定型的陶瓷电容器。当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15%,需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。
  X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的,它也随时间的变化而变化,但是要比Z5U和Y5V电容器好得多。
  X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用,而且当电压变化时其容量变化是可以接受的条件下。它的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。
  ③Z5U电容器
  Z5U电容器称为“通用”陶瓷片式电容器。它最主要优点的是小尺寸和低成本。对于已经讲过的三种片式电容来说,在同样的体积下,Z5U电容器具有最大的电容量。但它的电容量受环境和工作条件影响较大,另外介质损耗可以达到3%。
  尽管它的容量不稳定,但是这种电容器所特有的体积小、等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)低、以及良好的频率响应等优点,使得这种电容器还是获得了广泛的应用,尤其是在退耦电路的应用中。
  ④Y5V电容器
  Y5V电容器是一种有一定温度限制的通用电容器,在-30℃到+85℃范围内其容量变化可以达到+22%至-82%,另外介质损耗可以达到5%。但是Y5V的高介电常数允许在较小的物理尺寸下制造出高达4.7μF的电容器。
  下面是用以说明片式电容器性能的主要技术指标:
  ①容量与误差:实际电容量和标称电容量允许的最大偏差范围。
  常用的电容器其精度等级和电阻器的表示方法相同。用字母表示:D级:±0.5%;F级:±1%;G级:±2%;J级:±5%;K级:±10%;M级:±20%。
  ②额定工作电压:电容器在电路中能够长期稳定、可靠工作,所承受的最大直流电压,又称耐压。对于结构、介质、容量相同的器件,耐压越高,体积越大。

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