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[導讀]幾年以前,經(jīng)過用瓷片電容的25年多工作之后,我對它們有了新的領悟。那時我正在忙于做一個LED燈泡驅(qū)動器,當時我項目中一個RC電路的時間常數(shù)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,于是我測量用作一個分壓器的兩只電阻,但它們都沒有問題。我把電容從電路板上拆下來測量,也...

幾年以前,經(jīng)過用瓷片電容的25年多工作之后,我對它們有了新的領悟。那時我正在忙于做一個LED燈泡驅(qū)動器,當時我項目中一個RC電路的時間常數(shù)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,于是我測量用作一個分壓器的兩只電阻,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,我測量并裝上了新電阻和新電容,給電路上電,檢查發(fā)現(xiàn)基本運行正常,然后看更換元件是否解決了RC電路時間常數(shù)問題。但答案是否定的。


我是在自然的環(huán)境下測試電路:在外殼內(nèi),電路處于外殼內(nèi),模擬了一個屋頂照明燈的“罐子”,有時元件溫度會升到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(jié)論是:問題在于電容的溫度變化。但是我自己都懷疑這個結(jié)論,因為我用的可是X7R電容,根據(jù)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(shù)據(jù)表。


背景報告


表1給出了用于不同種類瓷片電容的字母與數(shù)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。這里不談太多細節(jié),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(huán)境條件下要穩(wěn)定得多,而且不會出現(xiàn)壓電效應。相反,表格中的電容具有廣泛多變的特性,它們能夠擴展并承受所施加的電壓,但有時會產(chǎn)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(jù)我的經(jīng)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(huán)境條件區(qū)間內(nèi),會表現(xiàn)出極大的電容量變化。


當電容公司開發(fā)產(chǎn)品時,他們會通過選擇材料的特性,使電容能夠在規(guī)定的溫度區(qū)間(第一個和第二個字母),工作在確定的變化范圍內(nèi)(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,要么我是用了一批劣質(zhì)電容,要么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(shù)問題無法用特定溫度變量來解釋,就必須深入研究??粗夷侵щ娙莸娜萘颗c施加電壓的數(shù)據(jù),我驚奇的發(fā)現(xiàn),電容隨著設置條件的變化量是如此之大。我選擇的是一只工作在12V偏壓下的16V電容。數(shù)據(jù)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?,F(xiàn)在,就完全能解釋RC電路的問題了。


數(shù)據(jù)表顯示,如果我把電容封裝尺寸從0805增加到1206,在規(guī)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(fā)現(xiàn)村田制作所和TDK公司在網(wǎng)站上提供了很好的工具,能夠繪出不同的環(huán)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(shù)據(jù)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,隨著封裝尺寸的增加,隨所施加直流電壓的電容量變化下降,并且幅度很大。



圖一 本圖描繪了所選4.7μF電容上直流電壓與溫度變化量的關系,如圖所示,隨著封裝尺寸的增加,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,對于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。


于是我估計,如將一只額定25V的電容用于12V電壓,則其電容變化量要小于同樣條件下的額定16V電容??纯?206封裝X5R的曲線,顯然額定6.3V元件的性能確實優(yōu)于有較高額定電壓的同類品種。


如果我們檢驗更大范圍的電容,就會發(fā)現(xiàn)這種情況很常見。對于我研究的那些電容樣本集,并沒有展示出普通瓷片電容應有的表現(xiàn)。


觀察到的第三個問題是:對于同樣的封裝,X7R電容的溫度敏感度要高于X5R電容。我不知道這是否普遍適用,但是在我的實驗里似乎是這樣。


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,隨著電容封裝尺寸逐步增加到1210,電容量有著穩(wěn)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。由于本人的無知,因而假設了任何一種X7R都與其它X7R有相同的效果;而顯然,情況并非如此。為使我的應用得到正確的性能,我必須采用某種更大的封裝。


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(xiàn)相同。0805和1206的1μF電容性能都略好于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電容都應該有著相同的電壓系數(shù),因為所用的電介質(zhì)是相同的,都是X7R.所以我向一位同事,日本TDK公司的現(xiàn)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。


他解釋說很多材料都能滿足“X7R”資格。事實上,任何一種材料,只要能使器件滿足或超過X7R溫度特性(即在-55°C到 125°C范圍內(nèi),變化在±15%),都可以叫做X7R。伯克特也解釋說,并沒有專門針對X7R電容或任何其他類型瓷片電容的電壓系數(shù)規(guī)范。


這是一個關鍵的要點,因此我要再重復一遍。只要一個電容滿足了溫度系數(shù)規(guī)范,不管其電壓系數(shù)多么糟糕,廠商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(jīng)驗電器工程師都知道的那句準則(雙關語):去讀數(shù)據(jù)表!


由于廠商越來越傾向于小型元件,所以他們不得不對使用的材料作出妥協(xié)。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系數(shù)。當然,有信譽的制造商會盡量減少這種折中的副作用。


結(jié)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),閱讀數(shù)據(jù)表都極為重要。但很遺憾,通常我們見到的數(shù)據(jù)表都很簡短,幾乎無法為你做決定提供任何需要的信息,所以你必須堅持讓制造商給出更多的信息。


那么被我否定的Y5V電容怎么樣呢?純?yōu)楹猛?,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)我不會提制造廠商,因為它的Y5V電容并不劣于任何其他廠商的Y5V電容),并查看它在5V電壓和 85° C下的規(guī)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(xiàn)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,兩個效應并沒有以這種方式結(jié)合到一起。在這個特例中,室溫條件下加5V偏壓的電容變化要差于 85°C.


明確地說,這個電容在0V偏壓下,電容量會從室溫的4.7μF降到 85°C的1.5μF;而在5V偏壓下,電容量會從室溫的0.33μF增加到 85°C的0.39μF.這個結(jié)果應該讓你信服了,真的有必要仔細查看元件規(guī)格。


著手處理細節(jié)


這次教訓之后,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(jīng)檢查過該元件的數(shù)據(jù)。我也提醒消費者,在考慮制造的替代供應商時,一定要檢查數(shù)據(jù),不要遭遇我的這種問題。


你可能已經(jīng)察覺到了更大的教訓,那就每次都要閱讀數(shù)據(jù)表,無一例外。如果數(shù)據(jù)表上沒有足夠的信息,要向廠商要具體的數(shù)據(jù)。也要記住,瓷片電容的命名X7R、Y5V等跟電壓系數(shù)毫無關系。工程師們必須檢查了數(shù)據(jù)才能知道(真正地知道)某種電容在該電壓下的性能如何。


最后請記?。寒斘覀兂掷m(xù)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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