為什么你的4.7-μF瓷片電容變成了0.33-μF電容？

通過(guò)對(duì)X7R電容的溫度和電壓查，強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)表的重要性。

幾年以前，經(jīng)過(guò)用瓷片電容的25年多工作之后，我對(duì)它們有了新的領(lǐng)悟。那時(shí)我正在忙于做一個(gè)LED燈泡驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)時(shí)我項(xiàng)目中一個(gè)RC電路的時(shí)間常數(shù)顯然是有問(wèn)題。

我第一個(gè)假設(shè)是：電路板上某個(gè)元件值不正確，于是我測(cè)量用作一個(gè)分壓器的兩只電阻，但它們都沒(méi)有問(wèn)題。我把電容從電路板上拆下來(lái)測(cè)量，也沒(méi)有問(wèn)題。為了進(jìn)一步確認(rèn)，我測(cè)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(yùn)行正常，然后看更換元件是否解決了RC電路時(shí)間常數(shù)問(wèn)題。但答案是否定的。

我是在自然的環(huán)境下測(cè)試電路：在外殼內(nèi)，電路處于外殼內(nèi)，模擬了一個(gè)屋頂照明燈的“罐子”。有時(shí)元件溫度會(huì)升到100多攝氏度。雖然我重新測(cè)試RC電路的時(shí)間很短，一切仍非常燙手。

顯然，我的下一個(gè)結(jié)論是：?jiǎn)栴}在于電容的溫度變化。但是我自己都懷疑這個(gè)結(jié)論，因?yàn)槲矣玫目墒荴7R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(xiǎn)起見(jiàn)，我重新查看了所使用電容的數(shù)據(jù)表。

背景報(bào)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(xì)節(jié)，Class I級(jí)電容包括常見(jiàn)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(huì)出現(xiàn)壓電效應(yīng)。相反，表格中的電容具有廣泛多變的特性，它們能夠擴(kuò)展并承受所施加的電壓，但有時(shí)會(huì)產(chǎn)生可聽(tīng)到的壓電效應(yīng)(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(yàn)，最常用的是X5R、X7R，還有Y5V.我從來(lái)沒(méi)用過(guò)Y5V，因?yàn)樗鼈冊(cè)谡麄€(gè)環(huán)境條件區(qū)間內(nèi)，會(huì)表現(xiàn)出極大的電容量變化。

當(dāng)電容公司開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，他們會(huì)通過(guò)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(gè)和第二個(gè)字母)，工作在確定的變化范圍內(nèi)(第三個(gè)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(guò)±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(wèn)題。

不是所有的X7R電容都一樣

既然我的RC電路時(shí)間常數(shù)問(wèn)題無(wú)法用特定溫度變量來(lái)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(shè)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。現(xiàn)在，就完全能解釋RC電路的問(wèn)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(jìn)一步研究的必要。

我發(fā)現(xiàn)村田制作所(www.murata.com)和TDK公司(www.tdk.com)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(duì)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(duì)幾種不同的4.7μF瓷片電容。我同時(shí)觀察了X5R和X7R兩種型號(hào)，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4.7-μF電容上直流電壓與溫度變化量的關(guān)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(gè)有趣的點(diǎn)是，對(duì)于某個(gè)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(méi)有影響。于是我估計(jì)，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(shí)優(yōu)于有較高額定電壓的同類品種。

如果我們檢驗(yàn)更大范圍的電容，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種情況很常見(jiàn)。對(duì)于我研究的那些電容樣本集，并沒(méi)有展示出普通瓷片電容應(yīng)有的表現(xiàn)。

觀察到的第三個(gè)問(wèn)題是：對(duì)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(shí)驗(yàn)里似乎是這樣。

從圖中可以看出，表2顯示了X7R電容在12V偏壓貨款，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(zhǎng)，但是超過(guò)這個(gè)尺寸就沒(méi)有多大改變了。[!--empirenews.page--]

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?yàn)槌叽缡俏翼?xiàng)目的一個(gè)考慮因素。由于本人的無(wú)知，因而假設(shè)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(yīng)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(yùn)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(huì)到30%。

但我還是困惑。我曾認(rèn)為所有X7R電容都應(yīng)該有著相同的電壓系數(shù)，因?yàn)樗玫碾娊橘|(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(chǎng)應(yīng)用工程師克里斯?伯克特請(qǐng)教，他也是瓷片電容方面的專家。他解釋說(shuō)很多材料都能滿足“X7R”資格。事實(shí)上，任何一種材料，只要能使器件滿足或超過(guò)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(shuō)，并沒(méi)有專門針對(duì)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(gè)關(guān)鍵的要點(diǎn)，因此我要再重復(fù)一遍。只要一個(gè)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(gè)電容叫做X7R電容(或者X5R,或其他任何類型)。這個(gè)事實(shí)印證了任何一位有經(jīng)驗(yàn)電器工程師都知道的那句準(zhǔn)則(雙關(guān)語(yǔ))：去讀數(shù)據(jù)表!

由于廠商越來(lái)越傾向于小型元件，所以他們不得不對(duì)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(dāng)然，有信譽(yù)的制造商會(huì)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(shí)候(實(shí)際在使用任何元件的時(shí)候)，閱讀數(shù)據(jù)表都極為重要。但很遺憾，通常我們見(jiàn)到的數(shù)據(jù)表都很簡(jiǎn)短，幾乎無(wú)法為你做決定提供任何需要的信息，所以你必須堅(jiān)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?lái)研究一個(gè)普通的Y5V電容。我選擇的是一個(gè)4.7μF、0603封裝的額定6.3V電容)我不會(huì)提制造廠商，因?yàn)樗腨5V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?yàn)?.33 μF。

這就對(duì)了。如果給這個(gè)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(shí)，電容量會(huì)減少68.14%，從4.7μF降至1.5μF。現(xiàn)在，你可能覺(jué)得，在5V偏壓下，電容量會(huì)從0.33降至0.11μF。幸運(yùn)的是，兩個(gè)效應(yīng)并沒(méi)有以這種方式結(jié)合到一起。在這個(gè)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(shuō)，這個(gè)電容在0V偏壓下，電容量會(huì)從室溫的4.7μF降到+85°C的1.5μF;而在5V偏壓下，電容量會(huì)從室溫的0.33μF增加到+85°C的0.39μF。這個(gè)結(jié)果應(yīng)該讓你信服了，真的有必要仔細(xì)查看元件規(guī)格。

著手處理細(xì)節(jié)

這次教訓(xùn)之后，我再也不會(huì)向同事或消費(fèi)者推薦某個(gè)X7R或X5R電容了。我會(huì)向他們推薦某家供應(yīng)商的某種元件，而我已經(jīng)檢查過(guò)該元件的數(shù)據(jù)。我也提醒消費(fèi)者，在考慮制造的替代供應(yīng)商時(shí)，一定要檢查數(shù)據(jù)，不要遭遇我的這種問(wèn)題。

你可能已經(jīng)察覺(jué)到了更大的教訓(xùn)，那就每次都要閱讀數(shù)據(jù)表，無(wú)一例外。如果數(shù)據(jù)表上沒(méi)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(wú)關(guān)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(qǐng)記?。寒?dāng)我們持續(xù)瘋狂的追求更小尺寸時(shí)，它也成為了每天都會(huì)遇到的問(wèn)題。