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[導讀]幾年以前,經過用瓷片電容的25年多工作之後,我對它們有了新的領悟。

幾年以前,經過用瓷片電容的25年多工作之後,我對它們有了新的領悟。那時我正在忙於做一個LED燈泡驅動器,當時我項目中一個RC電路的時間常數顯然是有問題。
我第一個假設是:電路板上某個元件值不正確,於是我測量用作一個分壓器的兩隻電阻,但它們都沒有問題。我把電容從電路板上拆下來測量,也沒有問題。為了進一步確認,我測量並裝上了新電阻和新電容,給電路上電,檢查發現基本運行正常,然後看更換元件是否解決了RC電路時間常數問題。但答案是否定的。
我是在自然的環境下測試電路:在外殼內,電路處於外殼內,模擬了一個屋頂照明燈的“罐子”,有時元件温度會升到100多攝氏度。雖然我重新測試RC電路的時間很短,一切仍非常燙手。
顯然,我的下一個結論是:問題在於電容的温度變化。但是我自己都懷疑這個結論,因為我用的可是X7R電容,根據我的記憶,這種電容最高可工作到 125°C,變化也只有±15%.我信任我的記憶力,但是為了保險起見,我重新查看了所使用電容的數據表。
背景報告
表1給出了用於不同種類瓷片電容的字母與數字,以及它們各自的含義。表格描述了Class II和Class III兩種瓷片電容。這裏不談太多細節,Class I級電容包括常見的COG(NPO)型;
這種電容的體積效率不及表格中的兩種電容,但是它在多變環境條件下要穩定得多,而且不會出現壓電效應。相反,表格中的電容具有廣泛多變的特性,它們能夠擴展並承受所施加的電壓,但有時會產生可聽到的壓電效應(蜂鳴聲或振鈴聲)。

在給出的多種電容類型中,據我的經驗,最常用的是X5R、X7R,還有Y5V。我從來沒用過Y5V,因為它們在整個環境條件區間內,會表現出極大的電容量變化。
當電容公司開發產品時,他們會通過選擇材料的特性,使電容能夠在規定的温度區間(第一個和第二個字母),工作在確定的變化範圍內(第三個字母;表1)。我正在使用的是X7R電容,它在-55°C到 125°C之間的變化不超過±15%。所以,要麼我是用了一批劣質電容,要麼我的電路其它部分有問題。
不是所有的X7R電容都一樣

既然我的RC電路時間常數問題無法用特定温度變量來解釋,就必須深入研究。看着我那支電容的容量與施加電壓的數據,我驚奇的發現,電容隨着設置條件的變化量是如此之大。我選擇的是一隻工作在12V偏壓下的16V電容。數據表顯示,我的4.7-μF電容在這些條件下通常是提供1.5μF的容量。現在,就完全能解釋RC電路的問題了。
數據表顯示,如果我把電容封裝尺寸從0805增加到1206,在規定條件下的典型電容量將是3.4μF。這表明有進一步研究的必要。
我發現村田製作所和TDK公司在網站上提供了很好的工具,能夠繪出不同的環境條件下的電容量變化。我對不同尺寸和額定電壓的4.7μF電容做了一番研究。圖1數據是取自村田的工具,針對幾種不同的4.7μF瓷片電容。我同時觀察了X5R和X7R兩種型號,封裝尺寸從0603到1812,額定電壓從6.3到25V dc.首先我注意到,隨着封裝尺寸的增加,隨所施加直流電壓的電容量變化下降,並且幅度很大。

圖一 本圖描繪了所選4.7μF電容上直流電壓與温度變化量的關係,如圖所示,隨着封裝尺寸的增加,電容量隨施加電壓的而大幅度下降。
CAPACITANCE(μF) 電容量 (μF) DC VOLTAGE (V)直流電壓 (V)第二個有趣的點是,對於某個給定的封裝尺寸和瓷片電容類型,電容的額定電壓似乎一般沒有影響。
於是我估計,如將一隻額定25V的電容用於12V電壓,則其電容變化量要小於同樣條件下的額定16V電容。看看1206封裝X5R的曲線,顯然額定6.3V元件的性能確實優於有較高額定電壓的同類品種。
如果我們檢驗更大範圍的電容,就會發現這種情況很常見。對於我研究的那些電容樣本集,並沒有展示出普通瓷片電容應有的表現。
觀察到的第三個問題是:對於同樣的封裝,X7R電容的温度敏感度要高於X5R電容。我不知道這是否普遍適用,但是在我的實驗裏似乎是這樣。
從圖中可以看出,表2顯示了X7R電容在12V偏壓電容量的減少量。注意,隨着電容封裝尺寸逐步增加到1210,電容量有着穩步的增長,但是超過這個尺寸就沒有多大改變了。

選擇正確的電容
在我的例子中,我為4.7μF的X7R電容選擇了最小的可用封裝,因為尺寸是我項目的一個考慮因素。由於本人的無知,因而假設了任何一種X7R都與其它X7R有相同的效果;而顯然,情況並非如此。為使我的應用得到正確的性能,我必須採用某種更大的封裝。
我真的不想用1210封裝。幸運的是,我可以把所用電阻值增大5x,因而電容量減少到了1μF.
圖2是幾種16V、1μF X7R電容與16V、4.7μF X7R電容的電壓特性圖。0603的1μF電容和0805的4.7μF電容表現相同。0805和1206的1μF電容性能都略好於1210的4.7μF電容。因此,使用0805的1μF電容,我就可以保持電容體積不變,而偏壓下電容只降到額定量的大約85%,而不會到30%.
但我還是困惑。我曾認為所有X7R電容都應該有着相同的電壓係數,因為所用的電介質是相同的,都是X7R.所以我向一位同事,日本TDK公司的現場應用工程師克里斯伯克特請教,他也是瓷片電容方面的專家。
他解釋説很多材料都能滿足“X7R”資格。事實上,任何一種材料,只要能使器件滿足或超過X7R温度特性(即在-55°C到 125°C範圍內,變化在±15%),都可以叫做X7R。伯克特也解釋説,並沒有專門針對X7R電容或任何其他類型瓷片電容的電壓係數規範。
這是一個關鍵的要點,因此我要再重複一遍。只要一個電容滿足了温度係數規範,不管其電壓係數多麼糟糕,申通快遞香港門市都可以把這個電容叫做X7R電容(或者X5R,或其他任何類型)。這個事實印證了任何一位有經驗電器工程師都知道的那句準則(雙關語):去讀數據表!
由於申通快遞香港門市越來越傾向於小型元件,所以他們不得不對使用的材料作出妥協。為了用更小的尺寸獲得所需要的體積效率,他們被迫接受了更糟糕的電壓係數。當然,有信譽的製造商會盡量減少這種折中的副作用。
結論是,在使用小封裝瓷片電容的時候(實際在使用任何元件的時候),閲讀數據表都極為重要。但很遺憾,通常我們見到的數據表都很簡短,幾乎無法為你做決定提供任何需要的信息,所以你必須堅持讓製造商給出更多的信息。
那麼被我否定的Y5V電容怎麼樣呢?純為好玩,我們來研究一個普通的Y5V電容。我選擇的是一個4.7μF、0603封裝的額定6.3V電容)我不會提製造申通快遞香港門市,因為它的Y5V電容並不劣於任何其他申通快遞香港門市的Y5V電容),並查看它在5V電壓和 85° C下的規格。在5V電壓下,典型的電容量比額定值低92.9%,或為0.33 μF.
這就對了。如果給這個6.3V的電容加5V偏壓,則其電容量要比額定值小14倍。
在0V偏壓 85°C時,電容量會減少68.14%,從4.7μF降至1.5μF.現在,你可能覺得,在5V偏壓下,電容量會從0.33降至0.11μF.幸運的是,兩個效應並沒有以這種方式結合到一起。在這個特例中,室温條件下加5V偏壓的電容變化要差於 85°C.
明確地説,這個電容在0V偏壓下,電容量會從室温的4.7μF降到 85°C的1.5μF;而在5V偏壓下,電容量會從室温的0.33μF增加到 85°C的0.39μF.這個結果應該讓你信服了,真的有必要仔細查看元件規格。
着手處理細節
這次教訓之後,我再也不會向同事或消費者推薦某個X7R或X5R電容了。我會向他們推薦某家供應商的某種元件,而我已經檢查過該元件的數據。我也提醒消費者,在考慮製造的替代供應商時,一定要檢查數據,不要遭遇我的這種問題。
你可能已經察覺到了更大的教訓,那就每次都要閲讀數據表,無一例外。如果數據表上沒有足夠的信息,要向申通快遞香港門市要具體的數據。也要記住,瓷片電容的命名X7R、Y5V等跟電壓係數毫無關係。工程師們必須檢查了數據才能知道(真正地知道)某種電容在該電壓下的性能如何。
最後請記住:當我們持續瘋狂的追求更小尺寸時,它也成為了每天都會遇到的問題。

END
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關鍵字: 瓷片電容 RC電路

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