村田擴(kuò)展100μF以上多層陶瓷電容器產(chǎn)品陣容

我們?nèi)粘Ｋ玫臄?shù)碼設(shè)備，大多數(shù)都是使用通過AC適配器生成的直流電壓作為輸入電壓，然后通過電源IC來升降電壓。在使用耗電量較高的半導(dǎo)體時(shí)，會(huì)特別用到100μF以上的平滑用電容器。此外，隨著半導(dǎo)體的低電壓化和高速化，為了保持其工作穩(wěn)定性，就需要用到低阻抗型的平滑電容器。因此，村田制作所(以下簡(jiǎn)稱“村田”)又進(jìn)一步擴(kuò)充了100μF以上的大容量多層陶瓷電容器產(chǎn)品陣容。

圖1.100μF多層陶瓷電容器(例：3.2x2.5mm尺寸:330μF)

電容器根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)、材料的不同，大致分為圖2中的幾種。從圖中我們可以看到多層陶瓷電容器雖然在靜電容量的溫度依賴性，施加電壓導(dǎo)致有效容量下降(DC偏壓特性)方面略有不足，但其小型化、高可靠性、高價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力、低阻抗/低ESR*1/低ESL*2等優(yōu)勢(shì)十分顯著。因此在如今小型、大容量的電容器領(lǐng)域，多層陶瓷電容器已經(jīng)成為主流。但超過100μF的大容量平滑用電容器，必須具備低阻抗，這些產(chǎn)品目前的主流卻是導(dǎo)電性聚合物電解電容器。

*1.ESR(Equivalent Series Resistance 等效串聯(lián)電阻)：電容器阻抗的實(shí)際成分。

*2.ESL(Equivalent Series Inductor 等效串聯(lián)電感)：電容器帶有的微小電感成分，諧振頻率以上的頻率領(lǐng)域的阻抗由ESL支配。

圖2.多層陶瓷電容器的優(yōu)勢(shì)/劣勢(shì)(出處：村田制作所)

如今，支持多層陶瓷電容器大容量化的技術(shù)正在不斷革新，村田電子已經(jīng)能保證1μm以下介質(zhì)層的高精度疊加1000層以上的穩(wěn)定量產(chǎn)生產(chǎn)技術(shù)及薄層化技術(shù)，此外，100μF以上的多層陶瓷電容器也正在量產(chǎn)中。

圖3.100μF以上陶瓷電容器(3.2x2.5mm尺寸/330μF)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由于近幾年數(shù)碼設(shè)備使用的半導(dǎo)體不斷低電壓化，由DC偏壓特性引起的容量下降的情況也在不斷減少，因此數(shù)碼設(shè)備也開始使用100μF以上的多層陶瓷電容器作為平滑用電容器。

目前，2.0x1.25mm/X5R/4V/100μF、3.2x1.6mm/X5R/6.3V/100μF、3.2x1.6mm/X5R/4V/220μF這三種規(guī)格的產(chǎn)品已經(jīng)商品化。此外，多個(gè)項(xiàng)目的100μF以上的多層陶瓷電容器(最大容量：300μF)也已實(shí)現(xiàn)商品化。

圖4.100μF以上多層陶瓷電容器的產(chǎn)品陣容(2015年8月)

在村田最新的產(chǎn)品陣容中，既有用于一般消費(fèi)類市場(chǎng)的X5R型(工作溫度范圍：-55～85℃)產(chǎn)品，又有面向耗電量大、設(shè)備內(nèi)部溫度高的應(yīng)用的X6*型(工作溫度范圍：-55～105℃)，此外更大容量產(chǎn)品的開發(fā)也在計(jì)劃中。

目前，為了確保數(shù)碼設(shè)備使用的低電壓及高速運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體電源線的穩(wěn)定性，需要控制由紋波電壓及負(fù)載變動(dòng)引起的電壓變動(dòng)。作為平滑用電容器，必須要達(dá)到100μF以上容量及低阻抗，此前市場(chǎng)的解決方案主要是使用導(dǎo)電性聚合物電解電容器。村田這次擴(kuò)充了100μF以上的多層陶瓷電容器產(chǎn)品陣容，可以取代導(dǎo)電性聚合物電解電容器。

雖然多層陶瓷電容器的容量比導(dǎo)電性聚合物電解電容器要低，但仍然具有很強(qiáng)的可替代性。這是因?yàn)槎鄬犹沾呻娙萜鞯淖杩辜癊SR很低，應(yīng)對(duì)電壓變化反應(yīng)良好。圖5是代表性的導(dǎo)電性聚合物鉭電解電容器和多層陶瓷電容器的阻抗，ESR-頻率特性。數(shù)碼設(shè)備使用的電源IC開關(guān)頻率在100kHz以上，從圖中可以看出，相對(duì)于導(dǎo)電性聚合物鉭電解電容器，多層陶瓷點(diǎn)容易不僅和它具有相同容量，而且容量比它低的產(chǎn)品，阻抗和ESR也很低。

此外，在諧振頻率為高頻時(shí)，與導(dǎo)電性聚合物鉭電解電容器相比，多層陶瓷電容器的阻抗非常低，對(duì)高頻靜噪非常有用。

圖5.阻抗/ESR-頻率特性比較

村田使用PC上DDR用電源IC的評(píng)估基板進(jìn)行了替換評(píng)估，評(píng)估電路及評(píng)估結(jié)果如圖6所示。評(píng)估基板使用1.4V直流電壓，初始狀態(tài)下在2處使導(dǎo)電性聚合物鉭電解電容器(7.3x4.3mm尺寸/2.0V/330μF/M偏差)作為平滑用電容器。然后，使用150μF及200μF(3.2x1.6mm尺寸/6.3V/M偏差)的多層陶瓷電容器替換導(dǎo)電性聚合物鉭電解電容器，對(duì)紋波電壓/尖峰電壓、負(fù)載變化時(shí)的電壓變化進(jìn)行評(píng)估。本次評(píng)估已事先調(diào)整相位，確保了評(píng)估基板的穩(wěn)定性。

圖6.導(dǎo)電性聚合物鉭電解電容器替換評(píng)估結(jié)果

從圖中可以看出，使用多層陶瓷電容器時(shí)，雖然其標(biāo)稱容量值比導(dǎo)電性聚合物鉭電解電容器低，但的確能改善紋波電壓。這是因?yàn)殚_關(guān)頻率處的多層陶瓷電容器阻抗及ESR很低，控制了由開關(guān)頻率產(chǎn)生的電壓變動(dòng)，改善了紋波電壓。此外，對(duì)于尖峰電壓同樣有改善作用。這是由于多層陶瓷電容器的ESL很低，控制了高頻噪聲，改善了尖峰電壓。

但是，在電流變化很大的負(fù)載變動(dòng)測(cè)試中，使用150μF多層陶瓷電容器時(shí)，電壓變動(dòng)結(jié)果并不理想。這與負(fù)載變動(dòng)測(cè)試對(duì)電容器施加電壓時(shí)的有效容量有關(guān)。測(cè)試所用的多層陶瓷電容器的標(biāo)稱容量值比導(dǎo)電性聚合物鉭電解電容器低，DC偏壓特性導(dǎo)致有效容量值更低，因此測(cè)試結(jié)果不理想。但是，用了容量較大的220μF產(chǎn)品，就能改善負(fù)載變動(dòng)測(cè)試的評(píng)估結(jié)果。

由于低電壓驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體十分普及，作為提供直流電源的電源IC的平滑用電容器，一般會(huì)使用具備大容量、低ESR特性的導(dǎo)電性聚合物電解電容器，但隨著使用此類產(chǎn)品的服務(wù)器等設(shè)備對(duì)小型化、長(zhǎng)期可靠性等性能越發(fā)重視，對(duì)平滑用電容器也產(chǎn)生了同樣的要求。村田十分看重具備小型化、高可靠性，且有更低阻抗/低ESR/低ESL特性的100μF以上的多層陶瓷電容器的發(fā)展。如今市場(chǎng)交易很活躍，相信村田今后產(chǎn)品陣容的擴(kuò)大將有助于電子設(shè)備市場(chǎng)的發(fā)展。