陶瓷电容与钽质电容及电解电容简介课件.ppt

1、1一.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。22.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，單位是庫侖，1庫侖=61019個電荷。C是電容的容值，是一個常數。33.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

2、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 4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 pF4.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

3、引脚。5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.61.定义:片式多层瓷介电容器

4、(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)72.1 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, 2225公制：0402, 0603, 1005, 1608, 2012, 3216, 3225, 4512, 4520, 4532, 4564, 5650,

5、56642.2外形8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9内部構造10電極材質11 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： 1

6、020000125.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 136.瓷介代号陶瓷介质的代号是按其陶瓷材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；

7、 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）147.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）15MLCC介質厚度和層數的發展16MLCC介質常數k與溫度穩定性1.介質常數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

8、與溫度的曲綫圖：17 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.18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;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.19MLCC 制造流程20影響電容量的因素:片式电容器的电容量除了由它本身

9、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。21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。22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。23电容量与交流

10、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24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25频率响应(串联谐振)26频率响应(并联谐振)：277-2.绝缘電阻(IR)体内漏电流:在电介质中通常或多或少存在正、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，

11、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。287-3.损耗(DF)DF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（）29介质损耗同温度的关系:介

12、质损耗同温度的关系曲线图30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31介质损耗同频率的关系介质损耗同频率的关系曲线图327-4.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 + Rsm33MLCC等效電路34ESR對電路的影響35交域下之電容器等效電如右圖；其中等效電阻(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

13、 Current特性越好。367-5.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。377-6.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，1206B102K10

14、1NT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。388.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39三、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，耐高温性能好，机械强度高，体积小。 1.定義 2.外形403.各种類型的鉭電容結構1)二氧化錳鉭電容( MnO2 )412)有機聚合体鉭電容(KO)423)鋁有機聚合体鉭電容(AO)43鉭電容的制造流程1)制壓陰極442)焊接陽極454.各類型鉭

15、電容特性n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.464.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1000uF , 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

16、.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。475.溫度及頻率特性鉭質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。5.1溫度對參數的影響溫度升高,Cp值及LC會增大48溫度對容量的影響:溫度升高,Cp值增大49溫度對漏電流的影響:溫度升高,LC值增大505.2頻率對參數的影響頻率升高,Cp值及ESR值會減小,但DF會

17、增大51頻率對ESR的影響:頻率升高,ESR值減小52頻率對損失因素的影響:頻率升高,DF值會增大536.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身的額定電壓。54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55四.鋁電解電容Aluminum CAP1.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563.等效線路574.固態鋁電解電容1)OS

18、-Con鋁電解電容結構,該類電容的電解液為固態電解液582)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).595.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,更佳的溫度穩定性.606.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 F

19、actor) 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0.1-0.24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(Leakage 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

20、用 (Low leakage type) 則其漏電流量需在0.002CV或0.4uA以下。615.6 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 Strength)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

21、擊電壓(一般為1.3倍RV,充放電1000個循環)627.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.63溫度對容量的影響:溫度升高,Cp值增大64溫度對ESR的影響:溫度升高,ESR值減小65溫度對漏電流的影響:溫度升高,LC值增大66溫度對損失因素的影響:溫度升高,DF值減小677.2 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688

22、.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69五、电容器的特性比较表70电容器的性能比较表类型典型介质吸收优点缺点NPO陶瓷电容器吸收0.1%外型尺寸小、价格便宜、稳定性好、电容值范围宽、 销售商多、电感低通常电容值很低，但又无法限制到很小的数值(10nF)单片陶瓷电容器0.2%电感低、电容值范围宽稳定性差、DA性能差、电压系数高铝电解电容器很高电容值高、电流大、电压高、

23、尺寸小泄漏大、通常有极性、稳定性差、精度低钽电解电容器很高尺寸小、电容值大、电感适中泄漏很大、通常有极性、价格贵、稳定性差、精度差71MLCC與鉭質电容的頻率特性及溫度特性比较72电容器的Z值比较表73电容器的ESR的频率特性比较表74去紋波能力比較（Input pulse 1MHz）75去紋波能力比較（Input pulse 500KHz）766.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772.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783.鋁聚合體鉭電容失效模式主要有:短路,容

24、值,IR變小,ESR,DF變大等79 7.電容器的選用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.80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.812)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823.RC的延遲834.信號的droop845.IC電源電壓的傳遞,能量補充85以下為用於IC電源電壓

25、的傳遞,補充的電容放置原則:866.波形整形877.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88B.) AC平滑濾波898.電容與電壓,電流紋波1.PWM開關電源充,放電電路如圖:902.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；開關斷開時，電容輸出電壓由於由於ESR的存在，也會產生一個壓降，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：懟紋波的影響如下圖所示：91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.Induced by Ldi/dt