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    工程師該如何了解的100μF以上多層陶瓷電容器細節信息?
    時間:2018-12-25 來源:雅那電氣(上海)有限公司 點擊:

    我們日常所用的數碼設備,大多數都是使用通過AC適配器生成的直流電壓作為輸入電壓,然后通過電源IC來升降電壓。在使用耗電量較高的半導體時,會特別用到100μF以上的平滑用電容器。此外,隨著半導體的低電壓化和高速化,為了保持其工作穩定性,就需要用到低阻抗型的平滑電容器。因此,村田制作所(以下簡稱“村田”)又進一步擴充了100μF以上的大容量多層陶瓷電容器產品陣容?!緢D1.100μF多層陶瓷電容器(例:3.2x2.5mm尺寸:330μF)】

    倉儲即將走進自動化立體倉庫的時代工程師該如何了解的100μF以上多層陶瓷電容器細節信息?

         電容器根據其基本結構、材料的不同,大致分為圖2中的幾種。從圖中我們可以看到多層陶瓷電容器雖然在靜電容量的溫度依賴性,施加電壓導致有效容量下降(DC偏壓特性)方面略有不足,但其小型化、高可靠性、高價格競爭力、低阻抗/低ESR*1/低ESL*2等優勢十分顯著。因此在如今小型、大容量的電容器領域,多層陶瓷電容器已經成為主流。但超過100μF的大容量平滑用電容器,必須具備低阻抗,這些產品目前的主流卻是導電性聚合物電解電容器。

         *1.ESR(Equivalent Series Resistance 等效串聯電阻):電容器阻抗的實際成分。

         *2.ESL(Equivalent Series Inductor 等效串聯電感):電容器帶有的微小電感成分,諧振頻率以上的頻率領域的阻抗由ESL支配。

    圖2.多層陶瓷電容器的優勢/劣勢(出處:村田制作所)

    圖2.多層陶瓷電容器的優勢/劣勢(出處:村田制作所)

         如今,支持多層陶瓷電容器大容量化的技術正在不斷革新,村田電子已經能保證1μm以下介質層的高精度疊加1000層以上的穩定量產生產技術及薄層化技術,此外,100μF以上的多層陶瓷電容器也正在量產中。

    圖3.100μF以上陶瓷電容器(3.2x2.5mm尺寸/330μF)的內部結構圖

    圖3.100μF以上陶瓷電容器(3.2x2.5mm尺寸/330μF)的內部結構圖

         由于近幾年數碼設備使用的半導體不斷低電壓化,由DC偏壓特性引起的容量下降的情況也在不斷減少,因此數碼設備也開始使用100μF以上的多層陶瓷電容器作為平滑用電容器。

         目前,2.0x1.25mm/X5R/4V/100μF、3.2x1.6mm/X5R/6.3V/100μF、3.2x1.6mm/X5R/4V/220μF這三種規格的產品已經商品化。此外,多個項目的100μF以上的多層陶瓷電容器(最大容量:300μF)也已實現商品化。

    圖4.100μF以上多層陶瓷電容器的產品陣容(2015年8月)

    圖4.100μF以上多層陶瓷電容器的產品陣容(2015年8月)

         在村田最新的產品陣容中,既有用于一般消費類市場的X5R型(工作溫度范圍:-55~85℃)產品,又有面向耗電量大、設備內部溫度高的應用的X6*型(工作溫度范圍:-55~105℃),此外更大容量產品的開發也在計劃中。

     

         目前,為了確保數碼設備使用的低電壓及高速運轉的半導體電源線的穩定性,需要控制由紋波電壓及負載變動引起的電壓變動。作為平滑用電容器,必須要達到100μF以上容量及低阻抗,此前市場的解決方案主要是使用導電性聚合物電解電容器。村田這次擴充了100μF以上的多層陶瓷電容器產品陣容,可以取代導電性聚合物電解電容器。

         雖然多層陶瓷電容器的容量比導電性聚合物電解電容器要低,但仍然具有很強的可替代性。這是因為多層陶瓷電容器的阻抗及ESR很低,應對電壓變化反應良好。圖5是代表性的導電性聚合物鉭電解電容器和多層陶瓷電容器的阻抗,ESR-頻率特性。數碼設備使用的電源IC開關頻率在100kHz以上,從圖中可以看出,相對于導電性聚合物鉭電解電容器,多層陶瓷點容易不僅和它具有相同容量,而且容量比它低的產品,阻抗和ESR也很低。

         此外,在諧振頻率為高頻時,與導電性聚合物鉭電解電容器相比,多層陶瓷電容器的阻抗非常低,對高頻靜噪非常有用。

    圖5.阻抗/ESR-頻率特性比較

    圖5.阻抗/ESR-頻率特性比較

         村田使用PC上DDR用電源IC的評估基板進行了替換評估,評估電路及評估結果如圖6所示。評估基板使用1.4V直流電壓,初始狀態下在2處使導電性聚合物鉭電解電容器(7.3x4.3mm尺寸/2.0V/330μF/M偏差)作為平滑用電容器。然后,使用150μF及200μF(3.2x1.6mm尺寸/6.3V/M偏差)的多層陶瓷電容器替換導電性聚合物鉭電解電容器,對紋波電壓/尖峰電壓、負載變化時的電壓變化進行評估。本次評估已事先調整相位,確保了評估基板的穩定性。

    圖6.導電性聚合物鉭電解電容器替換評估結果

    圖6.導電性聚合物鉭電解電容器替換評估結果

         從圖中可以看出,使用多層陶瓷電容器時,雖然其標稱容量值比導電性聚合物鉭電解電容器低,但的確能改善紋波電壓。這是因為開關頻率處的多層陶瓷電容器阻抗及ESR很低,控制了由開關頻率產生的電壓變動,改善了紋波電壓。此外,對于尖峰電壓同樣有改善作用。這是由于多層陶瓷電容器的ESL很低,控制了高頻噪聲,改善了尖峰電壓。

         但是,在電流變化很大的負載變動測試中,使用150μF多層陶瓷電容器時,電壓變動結果并不理想。這與負載變動測試對電容器施加電壓時的有效容量有關。測試所用的多層陶瓷電容器的標稱容量值比導電性聚合物鉭電解電容器低,DC偏壓特性導致有效容量值更低,因此測試結果不理想。但是,用了容量較大的220μF產品,就能改善負載變動測試的評估結果。

         由于低電壓驅動的半導體十分普及,作為提供直流電源的電源IC的平滑用電容器,一般會使用具備大容量、低ESR特性的導電性聚合物電解電容器,但隨著使用此類產品的服務器等設備對小型化、長期可靠性等性能越發重視,對平滑用電容器也產生了同樣的要求。村田十分看重具備小型化、高可靠性,且有更低阻抗/低ESR/低ESL特性的100μF以上的多層陶瓷電容器的發展。如今市場交易很活躍,相信村田今后產品陣容的擴大將有助于電子設備市場的發展。


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