在項(xiàng)目中使用陶瓷電容器時(shí)，當(dāng)陶瓷電容損壞的直流偏置

電子產(chǎn)品體積更小、功能更多是一種普遍趨勢(shì)。這轉(zhuǎn)化為：“把它塞進(jìn)去”，因此設(shè)計(jì)師自然會(huì)尋找越來越小的零件。

紙面上至少有一個(gè) 0.1 μF、1206 大小的電容器，今天可以買到 0402 大小的電容器。但它真的是等效電容嗎?我們將看看這里的一些問題。

作為工程師，我們得到的最好的學(xué)習(xí)是當(dāng)我們做了一些不能正常工作的事情，然后我們發(fā)現(xiàn)了根本原因。希望這在我們將產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前很久就發(fā)生了。這里討論的大部分內(nèi)容都是關(guān)于工程“在職培訓(xùn)”的一個(gè)漫長而悲傷的故事，希望如果您不了解所有這些問題，您將得到預(yù)先警告并知道要注意什么。

陶瓷電容器規(guī)格

我們很多人都認(rèn)為 C0G、X7R、B5X 和 Z5U 等常見的陶瓷電容器命名法是物理電介質(zhì)規(guī)范。一些制造商會(huì)說“X7R 電介質(zhì)”之類的東西并沒有幫助。但是這三個(gè)字母的名稱不是物理電介質(zhì)，它們是一個(gè)性能評(píng)級(jí)系統(tǒng)，制造商可以使用他們選擇的任何電介質(zhì)配方，只要它們符合三個(gè)字母的性能規(guī)范。型號(hào)為 C0G 或 NP0 的陶瓷電容器(它是“零”，而不是名稱中的“哦”)屬于 1 類類型，有非常穩(wěn)定的電容器，其溫度漂移非常低，低于每攝氏度 30 ppm。C0G 類型的容積效率也最低。

尺寸是 II 類電容器發(fā)揮作用的地方。三字母 II 類電容器標(biāo)簽系統(tǒng)。電子產(chǎn)品中最常用的類型是 X7R 和 B5X。該名稱并未指出特定的電介質(zhì)，而是一種規(guī)范。制造商可以使用他們希望的任何結(jié)構(gòu)，只要它們符合規(guī)范。例如，“X7R”具有以下特性： -55 o C 至 +125 o C 的工作溫度范圍和 +/-10% 的最大電容變化。

如果我們?cè)谒械胤蕉际褂?C0G 指定的電容器，生活(和我們的電路)會(huì)好得多。問題是它們太大了，無法在大多數(shù)現(xiàn)代應(yīng)用程序中隨處使用。正如我們將在下面看到的，除了 C0G 類型之外的任何東西都是“電容器變壞”的地方。

當(dāng)陶瓷電容壞了——直流偏置

我對(duì)陶瓷電容器的“糟糕經(jīng)歷”是當(dāng)我第一次決定在新的軟件定義無線電中使用主要是陶瓷的配電總線時(shí)。收音機(jī)工作得很好，但電源總線是一個(gè) 5.5 V 大容量電源，為一個(gè)由 5 V 低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 組成的大型網(wǎng)絡(luò)供電，它發(fā)生了振蕩。我使用的假定 0.22 μF、0402 電容器在偏置到 5.4 V 時(shí)僅僅損失了大部分電容，并且總線沒有足夠的大容量電容來緩沖由于 LDO 而產(chǎn)生的低頻相互作用。震蕩隨之而來!

幸運(yùn)的是，這很容易解決。我只是在現(xiàn)有電容器上搭載 2.2 μF 電容器并繼續(xù)測(cè)試第一個(gè)電路板迭代。這讓我找到了根本原因并仔細(xì)研究了電容器數(shù)據(jù)表。

在該產(chǎn)品需要大幅縮小尺寸之前，我一直使用 0603 和 0805 尺寸的電容器，通常額定電壓為 50 V，至少有一個(gè)鉭電容器用于電源軌。由于我的電源軌在 80% 的時(shí)間內(nèi)為 5 V 或以下，因此電容器沒有表現(xiàn)出明顯的不良行為。

眾所周知，幾個(gè)電容器的電容相對(duì)于偏置的減小。兩個(gè) 0.01 μF、50 V、X7R 電容器的電容減少與 C0G 電容器相比的典型曲線與直流偏置 (A) 以及兩個(gè) X7R 電容器與交流激勵(lì)電平 (B) 的比較?？此葡嗨频?X7R 電容器制造商之間可能存在很大差異。

盡管我使用 X7R 規(guī)格的電容器進(jìn)行旁路，但我看到電容值大幅降低，因?yàn)槲彝瑫r(shí)降低了電容器的額定電壓，得到“雙重打擊”，我稱之為“打擊平方”。 ”

在過去的幾年里，大量的數(shù)據(jù)表中都缺少這些信息，現(xiàn)在如果你能找到它，你必須專門去尋找它。AVX、Murata 和 KEMET 僅舉幾例，其網(wǎng)站顯示了幾乎所有電容器的各種參數(shù)和性能曲線 ，但遺憾的是，這些信息通常不能轉(zhuǎn)移到其他制造商的部分。例如，一家制造商的 0.1 μF、10 V、X7R 在 5 VDC 偏置下會(huì)損失 -4% 的電容，而在相同條件下，另一家制造商的電容會(huì)降低 -35%。這表明您不能簡單地假設(shè)一個(gè)制造商的電容器性能等同于任何其他制造商的電容器。

此外，您可能還記得 2017 年全球范圍內(nèi)所有類型的陶瓷電容器都短缺。當(dāng)時(shí)，制造商爭(zhēng)先恐后地獲得足夠的零件來銷售。我遇到了幾個(gè)與生產(chǎn)相關(guān)的問題，不僅最終用戶更改了未經(jīng)測(cè)試的部件，而且制造商也對(duì)其部件進(jìn)行了更改，導(dǎo)致它們具有不同的直流偏置特性曲線。

環(huán)顧當(dāng)今的電容與直流偏置曲線，您會(huì)發(fā)現(xiàn)已有數(shù)十年歷史的制造商信息，我開始懷疑它是否更接近現(xiàn)實(shí)。它根本沒有被更新，最近似乎被刪除而不是更新。

當(dāng)陶瓷電容器變壞時(shí)——失真

我看到的另一個(gè)問題是扭曲。直流偏置的電容變化可能會(huì)導(dǎo)致在模擬信號(hào)路徑中使用電容器的問題。我見過太多的工程師有空間缺口，只是根據(jù)尺寸和溫度等級(jí)來選擇電容器。這使得他們能夠設(shè)計(jì)各種“數(shù)字”電容器，對(duì)模擬信號(hào)處理帶來災(zāi)難性的后果。

顯示和測(cè)量這種失真效應(yīng)，我使用我的爆破項(xiàng)目的一部分，即音頻輸出聲音爆破USB狗，和軟件創(chuàng)建非常低的失真音頻音調(diào)，定制18位，F(xiàn)FT分析儀測(cè)量失真。 NE5534 運(yùn)算放大器電路，用于測(cè)試失真。測(cè)試電容器是我焊接各種電容器進(jìn)行測(cè)試的地方。該電路在連接到 Sound Blaster USB 加密狗和一些定制軟件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生 16 位電平(> 95 dBc 失真)的無失真信號(hào)。設(shè)置僅限于 Sound Blaster 中 DAC 的 16 位失真。我按預(yù)期測(cè)量了各種 0.01 μF、C0G 陶瓷和堆疊薄膜電容器。他們沒有給輸出增加可測(cè)量的失真。

當(dāng)我測(cè)量X7R電容器時(shí)，有趣的部分出現(xiàn)了。通常，我只在旁路電路中使用X7R電容器，但我肯定在載波期間會(huì)讓一到兩個(gè)滑動(dòng)進(jìn)入信號(hào)處理路徑。對(duì)我來說幸運(yùn)的是，它們沒有造成任何問題，因?yàn)樗鼈儙缀蹩偸?0 V的額定電壓，而且這遠(yuǎn)低于所使用的信號(hào)波動(dòng)。

顯示了兩種看似相同的0.01μF，50V，0,0603，X7R類型，具有20伏的峰信號(hào)擺動(dòng)?？梢钥闯?，這些電容器在FFT圖上有非常不同的失真特征。表2是對(duì)失真產(chǎn)品的一個(gè)更好的比較。其中一個(gè)“看似相同”的電容器的失真比另一個(gè)好2：1!兩個(gè)看似相同的50 V，X7R，0603大小的電容器的FFT失真特征。可以看出，一個(gè)人有明顯更差的失真特征。

我還測(cè)量了一些 X7R、0805、50 V 電容器，甚至是 0402、10 V 額定電容器，其失真與上述類似。0402 應(yīng)該更糟，因?yàn)橄鄬?duì)于其額定最大工作電壓的擺動(dòng)更大，但事實(shí)并非如此。這就是讓我認(rèn)為許多這些部件上的數(shù)據(jù)表曲線非常陳舊并且不再符合現(xiàn)實(shí)的原因。我還將 0402 電容器偏置到高達(dá) 50 V，而泄漏電流沒有明顯增加，那么它可能是建立在 50 V 電容器工藝之上的嗎?我不知道，但根據(jù)經(jīng)典的電容下降與工作電壓曲線，它應(yīng)該比以前差得多。

當(dāng)我在我的零件中翻找要測(cè)量的電容器時(shí)，我還遇到了一個(gè) 45 歲的 Z5U 盤式電容器。我以為它會(huì)表現(xiàn)出非常糟糕的失真，但事實(shí)證明它并沒有那么糟糕，與現(xiàn)代 X7R 差不多。

沒有制造商將失真列為規(guī)格，并且如上所示，看似相似電容器的電容變化與 DC 偏置數(shù)據(jù)的變化很大。

您所能做的就是遠(yuǎn)離 C0G 類型以外的任何東西，或者使用可能存在失真問題的薄膜電容器。即使仔細(xì)測(cè)試也可能無法確保成功，因?yàn)槟肋h(yuǎn)不知道零件的設(shè)計(jì)或構(gòu)造何時(shí)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致生產(chǎn)問題。是的，這意味著尺寸可能會(huì)成為一個(gè)問題，但有時(shí)必須在設(shè)計(jì)上做出權(quán)衡。

當(dāng)陶瓷電容器壞了——壓電效應(yīng)

當(dāng)我與一些知識(shí)淵博的鎖相環(huán) (PLL) 設(shè)計(jì)師合作時(shí)，我了解到了這一點(diǎn)。他們告訴我，除了 C0G 或 X7R 電容器之外的任何東西都會(huì)有問題。這個(gè)“問題”是，除了用于制造 C0G 電容器的電介質(zhì)之外，任何電介質(zhì)都使用天然壓電材料，并且在變形時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓在部件上產(chǎn)生。我認(rèn)為 PLL 設(shè)計(jì)人員首先發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題是在設(shè)計(jì)顯示冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)頻率處的射頻邊帶時(shí)。風(fēng)扇使 PCB 振動(dòng)，這種振動(dòng)導(dǎo)致相關(guān)電容器產(chǎn)生足夠的壓電電壓來調(diào)制 PLL 的振蕩器調(diào)諧線，從而產(chǎn)生邊帶。將電容器更改為 C0G 類型使問題消失。

電容器行業(yè)知道這一點(diǎn)，他們稱之為：“唱歌電容器”，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人以與我的經(jīng)驗(yàn)相反的方式了解這種壓電現(xiàn)象。如果在其中一個(gè)電容器上施加交流電壓，它們就會(huì)自行彎曲，如果頻率、電壓和安裝恰到好處，它會(huì)將 PCB 變成揚(yáng)聲器，從而產(chǎn)生可聽噪聲。

閱讀許多筆記本電腦的評(píng)論有時(shí)會(huì)描述在某些筆記本電腦的特定負(fù)載條件下可以聽到的可聽見的嗚嗚聲。他們通常將此描述為“線圈嘯叫”，但它可能實(shí)際上是一個(gè)“唱歌電容器”。

一些制造商已經(jīng)修改了他們的電容器的設(shè)計(jì)，以減輕問題并降低可能的噪聲 。

過去有一些很好的工作來證明和衡量這些問題，我在這里重復(fù)它們是沒有意義的，請(qǐng)參閱參考資料。

正如我根據(jù)其他設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)所提到的，在我的模擬設(shè)計(jì)中，除了 C0G 和 X7R 電容器之外，我一直遠(yuǎn)離任何其他電容器，只在必須使用的地方使用更高密度的電容器，例如在 FPGA 的電源焊盤之間等。 ，或者在嚴(yán)格的數(shù)字設(shè)計(jì)中。雖然，如果您在時(shí)鐘線路中使用這些壓電電容器中的一個(gè)，誰能說某些壓電電位不會(huì)導(dǎo)致開關(guān)閾值抖動(dòng)，從而在線路的下游造成不必要的時(shí)鐘抖動(dòng)?當(dāng)心!

我一直認(rèn)為 X7R 電容器不會(huì)受到壓電問題的影響，但事實(shí)并非如此，因?yàn)?X7R 電容器使用的電介質(zhì)材料本身也是壓電的。只是到目前為止，壓電電荷水平太低而不會(huì)引起任何問題，您的里程可能會(huì)像他們所說的那樣有所不同。這種情況隨時(shí)可能改變，正如我對(duì) 2017 年電容器嚴(yán)重短缺的經(jīng)歷所表明的那樣，因此最好非常謹(jǐn)慎?；蛘咴谶m當(dāng)?shù)那闆r下使用一種專門設(shè)計(jì)的低噪聲電容器。

當(dāng)陶瓷電容器壞了——開裂問題

陶瓷電容器非常脆弱。誰沒有破解或端蓋脫落?在薄 PCB 上使用大型陶瓷電容器可能會(huì)加劇這種脆弱性，在這種情況下，彎曲會(huì)導(dǎo)致許多電容器破裂。我的經(jīng)驗(yàn)是，我害怕在標(biāo)準(zhǔn) 0.032 或 0.062 英寸厚的 PCB 上使用任何大于 1206 尺寸的部件。我什至以工字梁方式將電容器直立安裝，以減少可能的應(yīng)力。許多大型陶瓷電容器陣列甚至安裝在應(yīng)力消除框架中，以減少可能的開裂應(yīng)力。如果對(duì)任何已完成的 PCB 組件施加力，導(dǎo)致任何彎曲(紅線)。然后沿彎曲安裝的任何部件將在其安裝點(diǎn)(黑線)處受到力。陶瓷電容器非常脆，通常首先受到彎曲力的影響，并在安裝點(diǎn)處破裂。

電容器結(jié)構(gòu)在某種程度上確實(shí)很重要，但所有陶瓷電容器都容易因彎曲應(yīng)力而破裂。牢記這一點(diǎn)并根據(jù)組件的尺寸使用適當(dāng)厚度的 PCB 以減少可能的彎曲是很好的。0.090 或 0.120 英寸厚的 PCB 比標(biāo)準(zhǔn)的 0.032 或 0.062 英寸厚的材料更硬，可能足以解決任何潛在問題。

請(qǐng)記住，彎曲應(yīng)力不僅會(huì)在您對(duì)板進(jìn)行物理變形時(shí)發(fā)生。對(duì)完成的組件進(jìn)行溫度循環(huán)也會(huì)導(dǎo)致足夠的應(yīng)力使陶瓷電容器破裂。

一些制造商生產(chǎn)的電容器具有特殊的柔性或軟端子，允許焊點(diǎn)實(shí)際彎曲一些，這可以極大地幫助緩解問題。

任何小于 0603 的組件的另一個(gè)實(shí)際問題是，當(dāng)您處理電路板或嘗試將組裝好的電路板放入堅(jiān)硬/法拉第屏蔽的金屬化防靜電袋中時(shí)。這些類型的金屬袋非常堅(jiān)硬，可以很容易地將小零件從板上剪下來。在將組件放入堅(jiān)硬的法拉第屏蔽袋之前，將組件放入更柔順或有襯墊的防靜電袋中可以防止很多損壞問題。

你不知道你不知道什么

所有這些電容器問題都已廣為人知并已記錄在案，但仍未得到普通工程界的廣泛認(rèn)可。我今天仍然看到嘗試在模擬信號(hào)路徑中使用盡可能小的電容器的設(shè)計(jì)。遺憾的是，這些設(shè)計(jì)人員即將直接了解電容下降、失真和壓電問題。這是不幸的，因?yàn)橄裎乙粯颖灰龑?dǎo)繞過陷阱的痛苦要小得多，所以如果我不得不親自遇到所有這些問題，我所遭受的痛苦就沒有那么大了。

最近，在電容器嚴(yán)重短缺之后，我重新評(píng)估了我可以根據(jù)我假設(shè)的壓電經(jīng)驗(yàn)法則做出多少外推，即 X7R 電容器在某種程度上不受這個(gè)問題的影響。我不再盲目假設(shè)，而是更加謹(jǐn)慎。正如 TDK 應(yīng)用說明 [7] 所述：

“工程師不能僅根據(jù)……{電路外}……測(cè)量做出一般假設(shè)?！?

仔細(xì)測(cè)試你想在電路中使用的部分，但不要試圖推斷其他類似的部分。它們可能完全不同，更糟糕的是，下周下一個(gè)零件短缺到來時(shí)，它們可能會(huì)發(fā)生變化。

電容器不是唯一可能的問題

當(dāng)凌力爾特公司開始生產(chǎn) 18 位和 20 位 ADC 時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)即使是較小的 SMT 電阻器也會(huì)導(dǎo)致失真 。事實(shí)證明，12 位和 14 位分辨率非常簡單，今天任何大于 16 位的分辨率都需要進(jìn)行大量仔細(xì)設(shè)計(jì)，其中每個(gè)零件都需要仔細(xì)檢查非線性。包括在完成的電路板上“敲擊”以尋找壓電效應(yīng)!