在整個電子產業中,客戶正在經歷積層陶瓷電容(MLCC)短缺,特別是對於外殼尺寸更大和電容更高的設備。在這種情況下,客戶正在評估將聚合物鉭和模塑鉭電容作為替代方案。他們希望尋找電路應用中的「甜蜜點」,如濾波、穩壓和緩衝。本文介紹了評估和測試過程,並為成功替換提供一些必要提示。

這些電容系列是一些最常用的表面黏著元件,是許多應用的理想選擇。為了確保成功替換,需要考慮使用不同材料和結構導致的一些性能差異,然後考慮一些參數差異,看它們是否與電路性能目標相符。

電容

用於替換最可能的MLCC候選者採用「II類」電介質材料。這種II類陶瓷(通常為X7R或X5R)的容值會在溫度範圍內變化,這種特徵稱為電容溫度係數(TCC),參見圖1。

20181219TA31P1 圖1 電容溫度係數。

對於典型的X5R元件,溫度範圍為-55°C~+85°C(此範圍±15%)。II類電介質還具有壓電效應(VCC),參見圖2。隨著施加到MLCC的電壓接近額定電壓,電容將顯著下降,這些TCC和VCC特徵是附加的,因此,對於工作在+85°C且接近額定電壓的II類元件,電容可能只有指定資料表值的30%。

20181219TA31P2 圖2 壓電效應。

相比而言,聚合物鉭電容不具有顯著的VCC效應,因此在施加電壓的條件下,容值保持非常穩定。此外,隨著溫度的升高,這些元件的電容實際上會略微增加(圖3)。

20181219TA31P3 圖3 溫度與電容容值關係圖。

總體來講,對於需要更大容值的表面黏著應用,如大容量儲能或電源濾波,聚合物鉭電容提供的電容性能優於具有相似額定值的MLCC。事實上,如果電容是應用中的驅動因素,可以用單個聚合物鉭替換多個MLCC。

額定電壓、降額和極性

人們通常認為MLCC以滿額定電壓運作是「安全的」,儘管許多設計人員降額約20%以提供VCC效應,從而在電路中產生較低的有效容值。

然而,對於10V及以下的額定值,設計人員必須將聚合物鉭元件降額10%,對10V以上額定值的產品,必須降額20%。相比之下,傳統的鉭(MnO2)元件必須降額50%,但如果滿足技術要求,則可以提供優秀的成本解決方案。

儘管極性不是MLCC的考慮因素,但對於聚合物和鉭元件,極性必須保持。這使得它不能用於可能發生反向電壓浪湧的一些開關應用。

等效串聯電阻(ESR)

ESR是阻抗(Z)的實數部分,並且包含電容中的所有電阻損耗。當訊號通過電容時,由於ESR的加熱效應,能量會損失。

MLCC的ESR低於聚合物鉭,而電壓和電容相似。更低ESR的元件在地線雜訊解耦時更有效,可以處理更高的RMS波紋電流,並且在提供暫態高電流方面更有效。其次,低ESR元件有效地滿足脈衝電流需求,避免放電期間的壓降,並使輸入電壓參數更低,但是極低的ESR有時會導致反饋回路電路的不穩定性。

等效串聯電感(ESL)

電容的物理尺寸是ESL的主要決定因素。MLCC的長邊端接設計已用於降低高速應用中的電感,但總的來說,對於具有「正常」結構的類似尺寸設備,由於電感元件,性能不太可能存在重大差異。

高速電路是一個例外,其中的感應負載可能會延遲傳送來自電容的所需電流,從而影響電路性能。阻抗(Z)的影響因外殼尺寸而有不同,如圖4所示。

20181219TA31P4 圖4 阻抗影響因外殼尺寸而有不同。

DC洩漏電流(DCL)

此值根據電容類型而指定不同的數值。可以這樣總結:MLCC的漏電流更低,並且比聚合物鉭的性能高出約五倍。

其他相關資訊

MLCC提供了優異的ESR和DCL結果,而且也是非極化的,因此,如果選擇聚合物鉭,則必須在PCB上保持極性。在機械方面,當在拾取和放置,以及裝配過程中在板卡上使用較大尺寸的外殼時,MLCC更容易破裂。

高電容MLCC可能表現出壓電效應,這可能會導致與較高頻率的干擾,並且出現帶有可聽雜訊的「唱/哨聲」,使其在某些DC/DC轉換和音訊應用中成為不佳的選擇。

聚合物鉭電容提供了高而穩定的容值,在施加電壓時幾乎不受影響。但它們的ESR和DCL高於II類MLCC,且材料和結構使它們不易受到板卡彎曲和高溫回流方法而造成的機械損壞。

替換設備

在變更時,設計人員應考慮:

˙電容(TCC和VCC)。

˙外殼尺寸(尤其是剖面高度)。

˙電壓額定和降額。

˙極性(對於聚合物和鉭)。

˙動態參數,包括DCL、ESR與ESL。