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1、1,陶瓷電容與鉭質電容及電解電容簡介,電容概述陶瓷電容鉭質電容鋁電解電容電容的性能比較電容失效模式電容的選用電容與電壓、電流紋波,2,一.電容概述,1.電容結構自1746年荷蘭科學家發現電容以來，經過不斷的發展，電容種類已經非常豐富，但其基本結構仍然保持不變，如下圖所示：,电容用于存储電荷，它只能允许交流电经过，直流电被阻挡。在电路中，通常用于调谐、滤波、极间耦合等方面，是主要元件之一。,3,2.容值、電壓、電量關係,當對電容進行充電時，兩個電極分別聚集了等量 的正負電荷，從而在兩極之間產生一個電壓，電壓與電量的關係可以用如下公式表示：Q=CVV表示電容兩極之間的電壓Q表示電容兩極閒的電荷，單
2、位是庫侖，1庫侖=61019個電荷。C是電容的容值，是一個常數。,4,3.电容的分类与符号,按电容量可否调整分为：固定电容器、可变电容器和微调电容器,固定电容,可变电容,微调电容,电解电容,按所用介质不同分为：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等。,按用途分有：高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器。,按电容有無極性分为：無極性電容和有極性電容兩大類,5,电容器的单位是法拉(F),常用单位还有微法(F)、纳法(nF)和皮法(pF),换算:1F=106F=109 nF=1012 pF,4.电容器的单位与标示,电容器的标识方法有三种：,直标法：直接标
3、注在表面，如果数字是整数，则单位是pF;数字带小数点，单位是F。文字符号法：用文字与数字混合标注，若字母在中央，则充当小数点。色标法：与电阻相同，读取方向由电容体 引脚。,6,电容器的参数,标称容量：在外壳上标明的，由国家规定的电容器电容量的标准值。允许误差范围：实际电容量与标称电容量的允许最大偏差范围，分三级I-5%,II-10%,III-20%。额定工作电压：在允许的环境温度范围内，能够长期施加在电容器上的最大电压有效值称为额定电压（一般为直流电压）。温度系数：在一定温度范围内，温度每变化1，电容量的相对变化值。绝缘电阻：指两个电极间绝缘介质的电阻，越大越好。损耗：在电场的作用下，电容器在
4、单位时间内发热而消耗的能量。频率特性：电容器的电参数随电场频率而变化的性质。等效串聯阻抗:對非理想電容,其內部電極與端電極之間存在的電阻值.,7,1.定义:片式多层瓷介电容器(MLCC)-简称片式电容器,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。,二、片式多层瓷介电容器(MLCC),8,2.1 尺寸,根據EIA分法有13种通用的SIZE：英制：01005,0201,0402,0603,0805,1206,1210,1805,1808,1812,1825,2220,
5、2225公制：0402,0603,1005,1608,2012,3216,3225,4512,4520,4532,4564,5650,56642.2外形,9,结构主要包括三大部分:陶瓷介质，金属内电极，金属外电极。而多层片式陶瓷电容器它是一个多层叠合的结构，是由多个简单平行板电容器的并联体。,3.结构,10,内部構造,11,電極材質,12,陶瓷是一个绝缘体，而作为电容器介质用的陶瓷除了具有绝缘特性外，还有一个很重要的特性：就是极化。即它在外加电场的作用下，正负电荷会偏离原有的位置，从而表现出正负两个极性。绝缘体的极化特性我们一般用介电常数来表示，即介质的K值。,4.陶瓷介质的特性,下面例举不同
6、材料的介电常数：,真空：1.0 空气：1.004纸：46玻璃：3.719三氧化二铝（Al2O3）：9钛酸钡（BaTiO3）：1500结构陶瓷：1020000,13,5.瓷介的分类,陶瓷是一种质硬、性脆的无机烧结体，一般分为两大类：功能陶瓷和结构陶瓷。用来制造片式多层瓷介电容（MLCC）的陶瓷是一种结构陶瓷，是电子陶瓷，也叫电容器瓷。,1)照EIA三級分類,有五种通用的介質,COG(NPO),X7R,X5R,Z5U,Y5V类电容器瓷(COG)，它是順電材料类电容器瓷(X7R、X5R、)，它是鉄電物質材料类电容器瓷（Y5V、Z5U），它是鉄電物質材料,14,6.瓷介代号,陶瓷介质的代号是按其陶瓷材
7、料的温度特性来命名的。目前国际上通用美国EIA标准的叫法，用字母来表示。常用的几种陶瓷材料的含义如下：,Y5V：温度特性Y代表 25；5代表85；温度系数V代表 80 30 Z5U：温度特性Z代表 10；5代表85；温度系数U代表 56 22 X5R:溫度特性X代表-55C;5代表+85 溫度係數R代表 15 X7R：温度特性X代表 55；7代表125 温度系数R代表 15 NPO：温度系数是30ppm/（-55125）,15,7.电气特性,电容量:电容量的大小表示电容器贮存电荷的能力。,7-1.电容量（C）,16,MLCC介質厚度和層數的發展,17,MLCC介質常數k與溫度穩定性,1.介質常
8、數k越高,MLCC体極效率越高;但介質常數k增加時,溫度穩定性変差;2.如下所示為COG,Z5U,X7R,Y5V介質的MLCC介 質常數與溫度,容值與溫度的曲綫圖：,18,由圖可知,EIA 類順電材料介質COG(NPO),它的介質常數k几乎不隨溫度變動,EIA 類鉄電材料介質X7R的介質常數變動不大,EIA 類鉄電材料介質Z5U,Y5V,溫度越高,介質常數K變小.,19,影響電介常數k的因素,電介質有4种基本的極化結構：電子,原子,偶極或方向性,空間電荷EIA 類電介質是電子或原子支配的極化結構;它可以獲的優秀的溫度穩定性和低的k值(580),很低的損耗.EIA/類是偶極或方向性支配的極化結構
9、;它可以獲的最高介電常數k.例如:BaTiO3有高的k值,适合x7r電介質.,20,MLCC 制造流程,21,影響電容量的因素:片式电容器的电容量除了由它本身的设计与材料特性所决定外，在很大程度下同它的测试条件、温度、电压和频率有很大的关系。,22,電容量與溫度的關係:温度是影响电容器电容量的一个重要因素，我们把电容量同温度的这种关系特性叫做电容器的温度特性(Temperature Coefficient)。对于较为稳定的类电容器，其影响相对较小，几乎没有变化;对于类电容器，其影响相对较大。,23,电容量与直流电压的关系:在电路的实际应用中，电容器两端可能要放加一个直流电压，我们把电容器的这种
10、情况下的特性叫做直流偏压特性。对于较为稳定的类电容器，其影响相对较小，几乎没有变化;对于类电容器，其影响相对较大。介质厚度越厚，产品的偏压特性就越好。,24,电容量与交流电压的关系:类电容器的交流特性比较好，基本不随施加电压的变化而变化。但是，对于类电容器，其容量基本是随所加电压的升高而加速递升的，特别X7R此特性比较明显。,交流特性图,25,电容量与工作频率的关系:对于类电容器其应用频率的增加，它的容值不会有什么变化，但对于类电容器，容值下降较为明显。,电容量与频率的关系曲线图,26,频率响应(串联谐振),27,频率响应(并联谐振)：,28,7-2.绝缘電阻(IR),体内漏电流:在电介质中通
11、常或多或少存在正、负离子，这些离子在电场作用下将定向迁移，形成离子电流，我们称之为体内漏电流。表面漏电流:在电容器的表面，也会或多或少地存在正负离子，这些离子在外电场的作用下，会发生定向迁移，形成表面漏电流。电容器的漏电流:是陶瓷介质中体内漏电流与芯片表面的漏电流两部分组成。介质的绝缘电阻:加在介质两端的电压和漏电流之比称之为介质的绝缘电阻,即 电容器的绝缘电阻除了同其本身所固有介质特性相關外，同外界环境温度、湿度等有很大的关系。温度升高时，瓷介的自由离子增多，漏电流急剧增加，介质绝 缘电阻迅速降低。湿度对电容器电性能影响最大,会因表面吸潮使表面绝缘电阻 下降。,29,7-3.损耗(DF),D
12、F损亦称损失角正切:因为电容用于交流电路中时会在电路中产生一个相位角，此相位角的余角即为损失角。DF=tanDF(耗散因素)用来表明电容将输入功率转化为热量的百分（）,30,介质损耗同温度的关系:,介质损耗同温度的关系曲线图,31,介质损耗同交流电压/密尔厚度的关系:,介质损耗同交流电压/密尔厚度的关系曲线图,32,介质损耗同频率的关系,介质损耗同频率的关系曲线图,33,7-4.等效串联电阻ESR：,ESR:ESR的损耗由介质损耗(Rsd)和金属损耗(Rsm)两部分组成。即:ESR=Rsd+Rsm,34,MLCC等效電路,35,ESR對電路的影響,36,交域下之電容器等效電如右圖；其中等效電阻
13、(RS)，將會隨同頻而有所改變。各頻點之等效電阻(ESR)如右曲線圖所示。ESR越高，通過電所消耗功亦越高，元件越容發熱。隨著疊層層增加,容值亦增加ESR隨著並而下。MLCC相同設計下，容值越高，ESR越低，Ripple Current特性越好。,37,7-5.品质因素(Q),品质因素:Q值就是介质损耗DF的倒数。即：Q=1/DF。一般高Q即具备低ESR的特性。在设计时，高频下我们应考虑ESR和Q值对电路设计的影响；低频下应考虑损耗(DF)对电路设计的影响。,38,7-6.耐电压(DWV),电容器的耐电压:是指电容器的陶瓷介质在工作状态中能够承受的最大电压，即击穿电压，也就是电容器的极限电压电
14、容器的标称电压即电容器的工作电压，标称电压一般是相对于直流来说的。而电容器的耐电压常规也是相对直流来说的，但有时也常用交流来表示。电容器的标称电压远远低于其瓷介的耐电压。标称电压远远低于芯片的耐电压。比如，1206B102K101NT其标称电压为100V，也就是其工作直流电压要低于100V，而实际上其耐电压直流可达1200V左右；交流可达500V左右。,39,8.應用,其中高容量,低ESR,ESL的X7R MLCC電容堆,主要用于開關電源的濾波,低ESL允許在高頻濾波,40,三、鉭質電容,定義:钽电解电容是用金属钽作电极、氧化钽作介质的电容器，其示意圖如下特点:化学稳定性高，额定耐压高，耐高温
15、性能好，机械强度高，体积小。,1.定義,2.外形,41,3.各种類型的鉭電容結構,1)二氧化錳鉭電容(MnO2),42,2)有機聚合体鉭電容(KO),43,3)鋁有機聚合体鉭電容(AO),44,鉭電容的制造流程,1)制壓陰極,45,2)焊接陽極,46,4.各類型鉭電容特性,鉭電容具有低的ESR,低的漏電流,no ignition failure mode,高的溫度穩定性;在ESR,no ignition failure mode方面,KO和AO具有更佳的表現.,47,4.鉭質電容的基本電氣參數,4.1 Cp(Capacitance)容值 一般電解電容器的電容量範圍為其容量从0.47uF到100
16、0uF,測試頻率為120Hz。4.2電容值誤差Tolerance 4.3 D.F(Disspation Factor)損失因素4.4 UR(Voltage Rating)額定電壓 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。額定電壓压主要有6.3V、10V、16V、63V几种。4.5 LC(Leakage Current)漏電流4.6 ESR(Equivalent Series Resistance)等效串聯阻抗4.7 RC(Ripple Current)紋波/濾波電流 常指微小的脈沖電流,表示其在電路中之耐沖擊性能。,48,5.溫度及頻率特性,鉭質電容的以上電氣參數通常規定
17、在20,120Hz條件下測得,它們隨溫度及頻率的變化而變化。,5.1溫度對參數的影響,溫度升高,Cp值及LC會增大,49,溫度對容量的影響:溫度升高,Cp值增大,50,溫度對漏電流的影響:溫度升高,LC值增大,51,5.2頻率對參數的影響,頻率升高,Cp值及ESR值會減小,但DF會增大,52,頻率對ESR的影響:頻率升高,ESR值減小,53,頻率對損失因素的影響:頻率升高,DF值會增大,54,6.貼片鉭質電容使用注意事項,反相電壓不允許 鉭質電容有極性,有絲印的一方為正極,插入時要確認極性的正確性。過壓 不要提供超過額定電壓最大值的電壓，即如圖所示:脈沖電壓的峰值加上直流電壓之和不要超過電容本
18、身的額定電壓。,55,脈沖電流 不要提供超過規格最大值的脈沖電流產品在長時間放置之后,在使用之前一定要確認是 否有反常現象,56,四.鋁電解電容Aluminum CAP,1.鋁電解電容有液態和固態兩類,固態又有OS-Con和聚合体兩類.2.液態鋁電解電容的結構,57,3.等效線路,58,4.固態鋁電解電容,1)OS-Con鋁電解電容結構,該類電容的電解液為固態電解液,59,2)鋁聚合體電解電容結構,該類電容的電解液為固態電解液(聚合体電解液).,60,5.鋁電解電容的特性,鋁電解電容具有高容值,高的額定電壓,較小的ESR值,較小的漏電流.固態鋁電解電容和鋁聚合體電解電容具有更小的ESR值,更佳
19、的溫度穩定性.,61,6.電解電容的基本電氣參數:,5.1 Cp(Capacitance)容值 一般電解電容器的電容量範圍為0.47uF-10000uF,測試頻率為120Hz。5.2(Tolerance)電容值誤差Tolerance 一般電解電容器的電容值誤差範圍為M 即+/-20%5.3 D.F(Disspation Factor)損失因素 一般電解電容器因為內阻較大故D值較高,其規格視電容值高低決定,為以下。5.4 UR(Voltage Rating)額定電壓 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。对于结构、介质、容量相同的器件，耐压越高，体积越大。5.5 LC(L
20、eakage Current)漏電流 在規定的環境溫度中,最大連續直流電壓下通過電容的電流。此為電解電容器之特定規格,一般以電容器本身額定電壓加壓3 Min後,串接電流表測試,其漏電流量需在0.01CV(uF電容量值與額定電壓相乘積)或3uA以下(取其較大數值)。特定低漏電流量使用(Low leakage type)則其漏電流量需在0.002CV或0.4uA以下。,62,5.6 ESR(Equivalent Series Resistance)等效串聯阻抗 對非理想電容,其內部電極與端電極之間存在的電阻值,它表 示轉化成熱能的損失量。ESR=DF/2fc5.7 DS(Dielectric St
21、rength)耐電壓 電容的選擇,其耐電壓應大於電路所要求的電壓。注意:但對電解電容而言,高耐電壓值的電容用於低電壓電路 中,額定電容量會減少。如一個5V電源電路中用50V額定電壓 的電容,其電容量約減少一半。5.8 SV(Surge Voltage)浪涌電壓 給其加的一個沖擊電壓(一般為1.3倍RV,充放電1000個循環),63,7.溫度及頻率特性:,電解電容的以上電氣參數通常規定在20,120Hz條件下測得,它們隨溫度及頻率的變化而變化.,7.1溫度對參數的影響,A.溫度升高,Cp值及LC會增大,但ESR會減小.,B.溫度降低,Cp值及LC會減小,但ESR會增大.,64,溫度對容量的影響:
22、溫度升高,Cp值增大,65,溫度對ESR的影響:溫度升高,ESR值減小,66,溫度對漏電流的影響:溫度升高,LC值增大,67,溫度對損失因素的影響:溫度升高,DF值減小,68,7.2 頻率對參數的影響,A.頻率升高,Cp值及阻抗會減小,但DF會增大.,B.頻率降低,脈衝電流產生熱量增加將導致ESR增大,69,8.貼片電解電容使用注意事項,8.1 反相電壓不允許 電解電容有極性,黑色絲印的一方為負極,插入 時要確認極性的正確性8.2 充/放電使用 標准的電解電容不適合重複充/放電使用8.3 過壓 不要提供超過規格電壓最大值的電壓8.4 脈沖電流 不要提供超過規格最大值的脈沖電流,70,五、电容器
23、的特性比较表,71,电容器的性能比较表,72,MLCC與鉭質电容的頻率特性及溫度特性比较,73,电容器的Z值比较表,74,电容器的ESR的频率特性比较表,75,去紋波能力比較（Input pulse 1MHz）,76,去紋波能力比較（Input pulse 500KHz）,77,6.電容的失效模式,1.液態電解電容失效模式主要有:電極損壞,焊接過熱電解液蒸發,漏電流變大,DF,ESR,Z變大等,78,2.MLCC電容失效模式主要有:變形破裂,短路,IR值變小,漏電流,ESR,DF值變大等,79,3.鋁聚合體鉭電容失效模式主要有:短路,容值,IR變小,ESR,DF變大等,80,7.電容器的選用,
24、陶瓷電容的應用適用頻率:1KHz-1GHz,主要應用在耦合,去耦,波形整形,旁路,諧振等電路.鉭質電容的應用適用頻率:1Hz-1GHz,電容主要應用在濾波,低頻旁路的電路.鋁質電容的應用適用頻率:1Hz-5KHz,主要應用在電源濾波電路.,81,電容應用實例,1)耦合:如下所示的晶體管放大電路的極之間,以起到交流信號的耦合傳輸.,82,2)去耦,可以去掉射頻噪聲,RC的延遲,信號的droop,IC電源電壓的傳遞,補充.如后所示：A.)射頻噪聲,83,3.RC的延遲,84,4.信號的droop,85,5.IC電源電壓的傳遞,能量補充,86,以下為用於IC電源電壓的傳遞,補充的電容放置原則:,87
25、,6.波形整形,88,7.濾波濾波有頻率選擇性濾波和AC平滑性濾波.,頻率選擇性濾波有低通慮波,高通慮波,帶通慮波.AC平滑性濾波是抑制從低到尖峰的脈波,A.)低通慮波,89,B.)AC平滑濾波,90,8.電容與電壓,電流紋波,1.PWM開關電源充,放電電路如圖:,91,2.電容ESR影響充,放電,1)電容ESR抑制電容充電與放電:開關閉合,電流導通對電容充電,由於ESR會有電壓drop的原因,在電容兩端會得到低一些的充電電壓Vc=VL(closed)-VESR；開關斷開時，電容輸出電壓由於ESR的存在，也會產生一個壓降，VO=VC-VESR。ESR懟紋波的影響如下圖所示：,92,電容ESL對紋波的影響,ESL感應電壓尖峰(spikes):在電容充放電進行切換的過程中,電容電流方向也在切換,在電容ESL端會感應到尖峰電壓V=Ldi/dt.,
