电源设计小贴士49:多层陶瓷电容器常见小缺陷的规避方法

大家好

我是德州仪器资深电源工程师Jason Yu

欢迎来到电源小贴士

在本节中 我们将要讨论的是

在设计应用当中需要关注的

多层陶瓷电容器的应用缺陷

陶瓷电容器的特点是尺寸小

串联等效电阻低 成本低 可靠性好

高容量以及长寿命

陶瓷电容的高容量

是源于高介电常数的电介质材料

而制造电容使用的材料就决定了

陶瓷电容的工作范围

陶瓷电容按照以下三个特性来分类

首先是最低工作温度

其实是最大工作温度

第三是电容量在额定工作频率点的容值误差

如电介质材料Z5U

Z表明最低工作温度是+10度

5标明最高工作温度是+85度

最后U标明额定容量在不同温度的偏差

最大可能增加22%

最小会降低56%

在应用的时候需要谨慎地核对容值偏差

选择合适的电容

第二个需要关注的是电容的实际容量

容量会跟随电容两端的电压而改变

图中的曲线是一个典型的X5S陶瓷电容

容量随着电容两端的电压上升而下降

从图中可以看到

电压在两到三V的时候

容量已经有比较大的偏差

这个电容器通常用于3.3V的工作电压输出

随着电容两端的电压上升到额定电压6.3伏

容值降幅已经超过了50%

这个变化对于电源的输出纹波和环路带宽

会有非常显著的影响

有一点需要留意的是

陶瓷电容的串联等效电阻通常会很小

小的ESR对于输出滤波很好

可以承受更高的输出纹波电流

但是给你的电源设计也会带来一些问题

第一个问题是

低ESR的电容可能会在输入端的

寄生电感产生振荡

从而导致电源系统振荡

具体的细节请参考之前在

Power Tips 3和4中的内容

第二个问题是 因为电容的高Q值

在初次加电的瞬间可能会在电容两端产生

瞬间浪涌过电压

如左图所示

电源在最左边

然后是输入端的寄生电感高Q值的电容

由于电容的高Q值

瞬间产生的过电压可以达到两倍的输入电压

从而在系统中产生过电压导致器件损坏

另外 在电源设计的时候需要留意的是

陶瓷电容的压电效应

电容的机械尺寸会随着外加电压而变化

从而导致输出陶瓷电容的机械尺寸

会随着境外加电压变化 从而导致输出陶瓷电容

产生音频噪声

对于压电效应带来的噪音

所以尝试从以下方面来解决

将陶瓷电容更换为低介电常数类型 比如C0G

通常X7S X5R的介电常数都在2000左右

而C0G则是几百

使用其他介电常数的电容来代替

例如薄膜电容

在使用直插封装的电容器来代替表贴电容

表贴电容通常和PCB

非常紧密地耦合在一起

使用更小封装的器件 从而减小耦合到PCB板上的应力

使用更加厚的陶瓷电容

从而减小电介质上的电压应力和物理变形

最后 端子引线断裂是使用贴片陶瓷电容

需要考虑的一个大问题

在电路板加工时候

由于热应力和机械应力的作用

过大的尺寸和不合理的安装方式

会导致陶瓷电容端子断裂

许多的制造商要求PCB板上的电容器尺寸

不大于1210

陶瓷电容器的装配位置

要远离容易变形的部分

例如转角和边缘的位置

陶瓷电容摆放的方向

尽量和PCB板最短边保持一致

最后 需要留意在制造和装配过程当中

可能会导致PC板变形的所有环节

陶瓷电容器广泛地应用于

各种工业设计中

陶瓷电容有以下优点

高容量 低成本 可靠性好 寿命长 尺寸小

以及可以承受高的纹波电流值

但是在实际设计当中

需要关注以下几点

电容值随输入电压和温度变化

偏差范围比较大

低ESR值导致在电路当中的Q值很高

压电效应会产生音频噪声

加工和装配时候的热应力 机械盈利会导致端子断裂

这就是我们今天介绍的电源小贴士

更多的电源应用小贴士

请参观Power Management DesignLine

然后搜寻Power Tips标题

或者点击上面的链接到视频描述区

谢谢大家的参与

大家好

我是德州仪器资深电源工程师Jason Yu

欢迎来到电源小贴士

在本节中 我们将要讨论的是

在设计应用当中需要关注的

多层陶瓷电容器的应用缺陷

陶瓷电容器的特点是尺寸小

串联等效电阻低 成本低 可靠性好

高容量以及长寿命

陶瓷电容的高容量

是源于高介电常数的电介质材料

而制造电容使用的材料就决定了

陶瓷电容的工作范围

陶瓷电容按照以下三个特性来分类

首先是最低工作温度

其实是最大工作温度

第三是电容量在额定工作频率点的容值误差

如电介质材料Z5U

Z表明最低工作温度是+10度

5标明最高工作温度是+85度

最后U标明额定容量在不同温度的偏差

最大可能增加22%

最小会降低56%

在应用的时候需要谨慎地核对容值偏差

选择合适的电容

第二个需要关注的是电容的实际容量

容量会跟随电容两端的电压而改变

图中的曲线是一个典型的X5S陶瓷电容

容量随着电容两端的电压上升而下降

从图中可以看到

电压在两到三V的时候

容量已经有比较大的偏差

这个电容器通常用于3.3V的工作电压输出

随着电容两端的电压上升到额定电压6.3伏

容值降幅已经超过了50%

这个变化对于电源的输出纹波和环路带宽

会有非常显著的影响

有一点需要留意的是

陶瓷电容的串联等效电阻通常会很小

小的ESR对于输出滤波很好

可以承受更高的输出纹波电流

但是给你的电源设计也会带来一些问题

第一个问题是

低ESR的电容可能会在输入端的

寄生电感产生振荡

从而导致电源系统振荡

具体的细节请参考之前在

Power Tips 3和4中的内容

第二个问题是 因为电容的高Q值

在初次加电的瞬间可能会在电容两端产生

瞬间浪涌过电压

如左图所示

电源在最左边

然后是输入端的寄生电感高Q值的电容

由于电容的高Q值

瞬间产生的过电压可以达到两倍的输入电压

从而在系统中产生过电压导致器件损坏

另外 在电源设计的时候需要留意的是

陶瓷电容的压电效应

电容的机械尺寸会随着外加电压而变化

从而导致输出陶瓷电容的机械尺寸

会随着境外加电压变化 从而导致输出陶瓷电容

产生音频噪声

对于压电效应带来的噪音

所以尝试从以下方面来解决

将陶瓷电容更换为低介电常数类型 比如C0G

通常X7S X5R的介电常数都在2000左右

而C0G则是几百

使用其他介电常数的电容来代替

例如薄膜电容

在使用直插封装的电容器来代替表贴电容

表贴电容通常和PCB

非常紧密地耦合在一起

使用更小封装的器件 从而减小耦合到PCB板上的应力

使用更加厚的陶瓷电容

从而减小电介质上的电压应力和物理变形

最后 端子引线断裂是使用贴片陶瓷电容

需要考虑的一个大问题

在电路板加工时候

由于热应力和机械应力的作用

过大的尺寸和不合理的安装方式

会导致陶瓷电容端子断裂

许多的制造商要求PCB板上的电容器尺寸

不大于1210

陶瓷电容器的装配位置

要远离容易变形的部分

例如转角和边缘的位置

陶瓷电容摆放的方向

尽量和PCB板最短边保持一致

最后 需要留意在制造和装配过程当中

可能会导致PC板变形的所有环节

陶瓷电容器广泛地应用于

各种工业设计中

陶瓷电容有以下优点

高容量 低成本 可靠性好 寿命长 尺寸小

以及可以承受高的纹波电流值

但是在实际设计当中

需要关注以下几点

电容值随输入电压和温度变化

偏差范围比较大

低ESR值导致在电路当中的Q值很高

压电效应会产生音频噪声

加工和装配时候的热应力 机械盈利会导致端子断裂

这就是我们今天介绍的电源小贴士

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