片式电容及其应用

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1、幻灯片 1 片式电容及其应用 新晨阳电子幻灯片 2 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。 此外，片式电容还在朝着多元化的方向发展：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。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

2、、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。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。幻灯片 3 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。幻灯片 4 片式叠层陶瓷电容器计算公式 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

3、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=NKAt 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。幻灯片 5 片式叠层陶瓷介质电容器主要成分 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

4、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。幻灯片 6 片式叠层陶瓷介质电容

5、器的类型 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 10100；X7R 是较稳定的材料，K 值为 2 0004 000；Y5V 或 Z5U 为一般用途 的材料，K 值为 5 00025 000。在我国的标准里则分为 I 类陶瓷(C C 4 和 CC41) 及类陶瓷(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。幻灯片 7 不同材质电容器的性能和应用事项 NPO 电容器 NPO 电容器是电容量和介质损

6、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 030ppm，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。X7R 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 Z

7、5U 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。幻灯片 8 片式叠层陶瓷介质电容器的温度范围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

8、，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。幻灯片 9不同材质电容器的性能和应用事项（2） Z5U 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。Y5V 电

9、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 47F 的电容器。幻灯片 10 片式电容器性能的主要技术指标 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：05；F 级：1；G 级：2；J 级：5；K 级：10；M 级：20。 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。 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。温度系数越小 越好。 绝缘电阻：用来表明漏电大小的。一般小 容量的电容，绝缘电阻很大，在几百兆欧姆或几千兆欧姆。电解电容的绝缘电阻一般较小。 相对而言，绝缘电阻越大越好，漏电也小。