在項(xiàng)目中使用陶瓷電容器時(shí)，當(dāng)陶瓷電容損壞壓電效益和開裂等現(xiàn)象

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(jiǎn)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)!