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

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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
课程介绍 共计1课时,5分37秒

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

TI 电源设计 电容器 电源管理设计贴士 电源保护

因其小尺寸、低等效串联电阻(ESR)、低成本、高可靠性和高纹波电流能力,多层陶瓷 (MLC) 电容器在电源电子产品中变得极为普遍。一般而言,它们用在电解质电容器 leiu 中,以增强系统性能。相比使用电解电容器铝氧化绝缘材料时相对介电常数为 10 的电解质,MLC 电容器拥有高相对介电常数材料 (2000-3000) 的优势。这一差异很重要,因为电容直接与介电常数相关。在电解质的正端,设置板间隔的氧化铝厚度小于陶瓷材料,从而带来更高的电容密度。

 

温度和 DC 偏压变化时,陶瓷电容器介电常数不稳定,因此我们需要在设计过程中理解它的这种特性。高介电常数陶瓷电容器被划分为 2 类。 1 显示了如何以 3 位数描述方法来对其分类,诸如:Z5U、X5R 和 X7R 等。例如,Z5U 电容器额定温度值范围为 +10 到 +85C,其变化范围为 +22/–56%。再稳定的电介质也存在一定的温度电容变化范围。

 

高介电常数陶瓷电容器被划分为 2 类,2类电介质使用 3 位数进行分类。注意观察其容差!

 1 2类电介质使用 3 位数进行分类。注意观察其容差!

 

当我们研究偏压电容依赖度时,情况变得更加糟糕。 2 显示了一个 22 uF、6.3伏、X5S 电容器的偏压依赖度。我们常常会把它用作一个 3.3 伏负载点 (POL) 稳压器的输出电容器。3.3 伏时电容降低 25%,导致输出纹波增加,从而对控制环路带宽产生巨大影响。如果您曾经在 5 伏输出时使用这种电容器,则在温度和偏压之间,电容降低达 60% 之多,并且由于 2:1 环路带宽增加,可能产生一个不稳定的电源。许多陶瓷电容器厂商都没有详细说明这一问题。

 

显示了一个 22 uF、6.3伏、X5S 电容器的偏压依赖度,注意电容所施加偏压变化而降低

 2:注意电容所施加偏压变化而降低

 

陶瓷电容器的第二个潜在缺陷是,它们具有相对较小的电容和低ESR。在频域和时域中,这会带来一些问题。如果它们被用作某个电源的输入滤波电容器,则它们很容易随输入互连电感谐振,形成一个我们在《电源设计小贴士3》和《电源设计小贴士 4》中讨论的振荡器。要想知道是否存在潜在问题,可将寄生互连电感估算为每英寸 15 nH,然后根据这两篇文章介绍的方法把滤波输出阻抗与电源输入电阻进行对比。第二个潜在问题存在于时域中,我们可在以太网电源 (POE) 等系统中看到它们的踪影。

 

在这些系统中,电源通过大互连电感连接至负载。负载通过一个开关实现开启,并可能会使用陶瓷电容器构建旁路。这种旁路电容器和互连电感可以形成一个高 Q谐振电路。由于负载电压振铃可以高达电源电压的两倍,因此在负载下关闭开关会形成一个过电压状态。这会引起意外电路故障。例如,在 POE 中,负载组件的额定电压变化可以高达电源额定电压的两倍。

 

第三个潜在缺陷的原因是陶瓷电容器为压电式。也就是说,当电容器电压变化时,其物理尺寸改变,从而产生可听见的噪声。例如,我们将这种电容器用作输出滤波电容器时(存在大负载瞬态电流),或者在“绿色”电源中,其在轻负载状态下进入突发模式。这种问题的变通解决方案如下:

 

  • 转而使用更低介电常数的陶瓷材料,例如:COG 等。
  • 使用不同的电介质,例如:薄膜等。
  • 使用加铅和表面贴装技术 (SMT) 组件,可紧密贴合印制线路板 (PWB)。
  • 使用更小体积器件,降低电路板应力。
  • 使用更厚组件,降低施加电压应力和物理变形。

 

SMT陶瓷电容器存在的另一个问题是,在PWB弯曲时,由于电容器和 PWB 之间存在的热膨胀系数 (TCE) 错配,它们的软焊接头往往会裂开。您可以采取一些预防措施来减少这种问题的发生:

 

  • 封装尺寸限制为 1210。
  • 使电容器远离高曲率地区,例如:拐角区等。
  • 使电容器朝向电路板短方向。
  • 使电路板安装点远离边角。
  • 在所有装配过程均注意可能出现的电路板弯曲。

 

总之,如果您注意其存在的一些小缺点,则相比电解电容器,多层陶瓷电容器拥有低成本、高可靠性、长寿命和小尺寸等优势。它们具有非常宽的电容容差范围,因此您需要对其温度和偏压变化范围内的性能进行评估。它们均为压电式,其意味着它们会在有脉冲电流的系统中产生可听见的噪声。最后,它们很容易出现破裂,因此我们必须采取预防措施来减少这一问题的发生。所有这些问题都有相应的解决办法。因此,MLC 电容器仍会变得越来越受欢迎。

 

下次,我们将继续讨论开关式电源的电容器选择,敬请期待。

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