運(yùn)用片狀獨(dú)石陶瓷電容器的電路設(shè)計(jì)

片狀獨(dú)石陶瓷電容器已誕生近50年。其間，片狀獨(dú)石陶瓷電容器通過(guò)介電體層的薄型化以及新型介電體材料的開(kāi)發(fā)，穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)小型化和大容量化。由此，片狀獨(dú)石陶瓷電容器逐漸從率先普及的鋁電解電容器、鉭電解電容器、薄膜電容器手中奪取市場(chǎng)，勢(shì)力范圍不斷擴(kuò)大（圖1）。比如靜電容量范圍在10μ～100μF的產(chǎn)品中，2002年片狀獨(dú)石陶瓷電容器的所占比例幾乎為零，但隨著向小型化和大容量化方向發(fā)展，到2005年可向市場(chǎng)投放產(chǎn)品中，片狀獨(dú)石陶瓷電容器的所占比例就升至約1/3，到2007年更是提高到了約2/3（圖2）。

 
圖1：應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大的片狀獨(dú)石陶瓷電容器以額定電壓為縱軸，以靜電容量為橫軸

 
圖2：大容量產(chǎn)品的所占比例按照不同的靜電容量對(duì)電容器的總需求進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分別明確了片狀獨(dú)石陶瓷電容器、鋁電解電容器、鉭電解電容器各自所占比例?！?/p>

從圖中可以看出，片狀獨(dú)石陶瓷電容器在大容量產(chǎn)品中的比例在逐年提高?！　?/p>

本圖顯示了各種電容器的產(chǎn)品范圍。片狀獨(dú)石陶瓷電容器迅速向大容量化方向推進(jìn)，其范圍逐漸擴(kuò)大。而鋁電解電容器和鉭電解電容器也在努力向高耐壓化和大容量化方向發(fā)展，以追趕片狀獨(dú)石陶瓷電容器?！　?/p>

片狀獨(dú)石陶瓷電容器與鋁電解電容器和鉭電解電容器的市場(chǎng)邊界產(chǎn)品為，額定電壓10V左右時(shí)容量為100μF，數(shù)十V時(shí)則為數(shù)十μF。今后，這一界限無(wú)疑將進(jìn)一步向著大靜電容量的方向移動(dòng)?！　?/p>

ESR較低，對(duì)異常電壓耐受性強(qiáng)　　

對(duì)片狀獨(dú)石陶瓷電容器擴(kuò)大勢(shì)力范圍起到推動(dòng)作用的是小型化和大容量化。不過(guò)，在為電子設(shè)備選擇電容器時(shí)，要考慮的特性不僅僅是外形尺寸和靜電容量。片狀獨(dú)石陶瓷電容器絕不是萬(wàn)能的。在擁有長(zhǎng)處（優(yōu)點(diǎn)）的同時(shí)，也同樣存在短處（缺點(diǎn)），因此需要對(duì)片狀獨(dú)石陶瓷電容器的各種特性加以注意。

這里通過(guò)表1列出了片狀獨(dú)石陶瓷電容器、鋁電解電容、鉭電解電容器的相互比較結(jié)果。片狀獨(dú)石陶瓷電容器的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)。

 
表1 各種電容器的特性比較　　

 一個(gè)是等效串聯(lián)阻抗（ESR：Equivalent Series ResiSTance）較小，因此頻率特性出色。ESR是指電容器內(nèi)部電極等的阻抗。這一阻抗較大的話，除了判斷噪聲吸收特性優(yōu)劣的依據(jù)、即阻抗的頻率特性會(huì)變差之外，阻抗導(dǎo)致的發(fā)熱也不容忽視。因此，在安裝于微處理器、DSP及MCU等半導(dǎo)體芯片的周?chē)?，用于?duì)噪聲進(jìn)行吸收的去耦用途時(shí)，較低的ESR值是不可或缺的要素?！　?/p>

另一個(gè)是對(duì)異常電壓具有較強(qiáng)的耐受性。比如，以額定電壓為16V、靜電容量為10μF的產(chǎn)品進(jìn)行直流擊穿電壓的比較時(shí)，鋁電解電容器只有30V，鉭電解電容器也不過(guò)30～60V。而片狀獨(dú)石陶瓷電容器極高，可以達(dá)到約200V。因此，即使電子設(shè)備因某種原因而出現(xiàn)了浪涌電壓或脈沖電壓時(shí)，如果配備的是片狀獨(dú)石陶瓷電容器的話，仍可將絕緣擊穿導(dǎo)致故障的可能性控制在較低水準(zhǔn)上?！　?/p>

需要注意溫度特性和直流電壓特性　　

而另一方面，片狀獨(dú)石陶瓷電容器的缺點(diǎn)大致有兩個(gè)?！　?/p>

第一是溫度特性較差。具體體現(xiàn)為靜電容量著溫度而變化的幅度較大。鋁電解電容器的容量變化在-55～+125℃的溫度范圍內(nèi)為±15％左右，而片狀獨(dú)石陶瓷電容器不同，有的種類（比如F特性的產(chǎn)品）在+30～-80％的范圍內(nèi)便會(huì)大幅變化。因此，在將片狀獨(dú)石陶瓷電容器用于汽車(chē)車(chē)內(nèi)等高溫環(huán)境下或滑雪場(chǎng)等寒冷環(huán)境下的電子設(shè)備時(shí)，需要在考慮了容量變化的基礎(chǔ)上來(lái)設(shè)計(jì)電子電路?！　?/p>

不過(guò)，要注意的是，溫度特性較差的缺點(diǎn)只存在于介電體材料使用鈦酸鋇（BaTiO3）的高介電常數(shù)型（2類，CLASS-II）片狀獨(dú)石陶瓷電容器中。使用氧化鈦（TiO2）的1類（CLASS-I）片狀獨(dú)石陶瓷電容器，在-55～+125℃范圍內(nèi)的容量溫度系數(shù)最大只有±60ppm/℃。但目前氧化鈦存在介電常數(shù)較小的問(wèn)題，因此未能實(shí)現(xiàn)大容量產(chǎn)品?！　?/p>

第二是存在直流電壓特性（DC偏壓特性）。直流電壓特性是指在向片狀獨(dú)石陶瓷電容器施加直流電壓后實(shí)際靜電容量會(huì)減少的現(xiàn)象（圖3）。比如，在向額定電壓為6.3V、靜電容量為100μF的片狀獨(dú)石陶瓷電容器實(shí)施加直流4V電壓時(shí)，如果是B特性產(chǎn)品的話，靜電容量就會(huì)減少約20％，F(xiàn)特性產(chǎn)品甚至?xí)p少約80％。而鋁電解電容器和鉭電解電容器則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

圖3：直流電壓特性片狀獨(dú)石陶瓷電容器具有施加直流電壓后實(shí)際靜電容量減少的特性。這也被稱為DC偏壓特性　　

因此，在選擇片狀獨(dú)石陶瓷電容器時(shí)，需要事先測(cè)定信號(hào)的直流電壓成分，掌握實(shí)際靜電容量的減少程度（參閱“考慮DC偏壓因素的標(biāo)記方法，JEITA實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化”）。不過(guò)，“利用最尖端微細(xì)加工技術(shù)制造的半導(dǎo)體芯片，其電源電壓已經(jīng)降低到了非常低的程度。最近，在1.0V左右的電壓下工作的芯片也不罕見(jiàn)。因此，直流電壓特性的問(wèn)題還不顯著”（村田制作所 元器件事業(yè)本部 本部長(zhǎng) 山內(nèi)公則）?！　?/p>

另外，出現(xiàn)直流電壓特性問(wèn)題的也僅限于2類產(chǎn)品。原因是鈦酸鋇為強(qiáng)介電體的緣故。因此，使用本身為順電體的氧化鈦的1類產(chǎn)品不會(huì)發(fā)生直流電壓特性問(wèn)題。　　

考慮DC偏壓因素的標(biāo)記方法，JEITA實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化　　

片狀獨(dú)石陶瓷電容器的靜電容量容易隨著被施加的直流電壓而變化。即所謂的DC偏壓特性。因此，在實(shí)際用于電子電路時(shí)，得到的容量與規(guī)格說(shuō)明書(shū)上的數(shù)值不一樣的事情也時(shí)有發(fā)生。電子設(shè)備的設(shè)計(jì)人員如果不掌握DC偏壓特性的話，最壞的情況是設(shè)計(jì)出來(lái)的電子設(shè)備甚至可能會(huì)無(wú)法正常工作?！　?/p>

為此，日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（JEITA）于2007年制定了“JEITA RCX-2326”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，要求在性能指性中標(biāo)識(shí)在施加直流電壓的狀態(tài)下測(cè)定的容量值。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格規(guī)定的片狀獨(dú)石陶瓷電容器對(duì)象是使用鈦酸鋇介電體材料的2類產(chǎn)品。而且限定的是額定電壓為2.5V的產(chǎn)品。也就是說(shuō)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格是以微處理器、DSP及MCU等的供電線路所使用的去耦用途為對(duì)象的?！　?/p>

施加直流1.25V電壓進(jìn)行測(cè)定　　

比較新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格與原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格“JIS C 5101-22”，不同之處匯總?cè)缦拢ū鞟）。

 
表A　針對(duì)直流電壓特性的現(xiàn)有規(guī)格與新規(guī)格的比較

在靜電容量的測(cè)定上，新規(guī)格改為在施加1.25V直流電壓和0.1Vrms交流電壓的狀態(tài)下對(duì)容量進(jìn)行測(cè)定。而原來(lái)的“JIS C 5101-22”規(guī)格并不要求施加直流電壓，只是要求在施加0.5～1Vrms交流電壓的狀態(tài)下對(duì)容量進(jìn)行測(cè)定?！　?/p>

另外，有關(guān)靜電容量的容許偏差和溫度特性的測(cè)定也改為在施加1.25V直流電壓的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)定。而原規(guī)格則不要求施加直流電壓?！　?/p>

這一新規(guī)格的制定，無(wú)疑可使電子設(shè)備的設(shè)計(jì)人員更為輕松地選用對(duì)自己來(lái)說(shuō)最佳的片狀獨(dú)石陶瓷電容器。目前，村田制作所已向市場(chǎng)投放了符合新規(guī)格要求的產(chǎn)品。