Обзор

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC), как правило, являются предпочтительными конденсаторами для приложений, где требуются небольшие емкости. Они используются в качестве обходных конденсаторов, в схемах операционных усилителей, фильтрах и т. д.

К преимуществам MLCC относятся:

Небольшая паразитная индуктивность обеспечивает лучшие характеристики на высоких частотах по сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами.

Лучшая устойчивость к температуре, в зависимости от температурного коэффициента.

Недостатки

Небольшая емкость на единицу объема, особенно для диэлектрических материалов класса 1 (NO/COG).

Нестабильность смещения постоянного тока.

Строительство

MLCC состоят из чередующихся слоев металлических электродов и диэлектрической керамики, как показано на рисунке 1 ниже.

Рисунок 1: Конструкция многослойного керамического чип-конденсатора (MLCC), 1 = металлические электроды, 2 = диэлектрическая керамика, 3 = соединительные клеммы

Источник изображения: http://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_capacitor#/media/File:MLCC-Principle.svg

Важные параметры таблицы данных

Двумя очень важными параметрами таблицы технических данных являются температурный коэффициент и номинальное напряжение.

Температурный коэффициент

Керамические материалы класса 1 (например, NPO, COG) имеют очень низкие температурные коэффициенты, что означает, что их емкость очень мало меняется в зависимости от температуры. У них также низкая диэлектрическая проницаемость, а это означает, что конденсаторы, изготовленные из материалов класса 1, имеют очень маленькую емкость на единицу объема. NPO и COG являются очень распространенными температурными коэффициентами класса 1 и имеют умеренный коэффициент 0 и допуск +/- 30 частей на миллион.

Керамические материалы класса 2 (X, Y, Z) менее устойчивы к температуре, но имеют более высокую диэлектрическую проницаемость, что означает, что конденсаторы с большей емкостью доступны в том же объеме. X7R — очень распространенный температурный коэффициент класса 2, а конденсаторы X7R обычно имеют допуск 5%, 10% и 20%.

Таблица 1 помогает расшифровать температурные коэффициенты для MLCC класса 2. Примеры приведены ниже.

Таблица 1: Система кодов для IEC/EN 60384-9/22 для температурных диапазонов и изменений емкости в зависимости от температуры

Источник изображения: http://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_capacitor#Class_2_ceramic_capacitors

Примеры включают:

X7R рассчитан на работу в диапазоне температур от -55 C до +125 C с изменением емкости на +/- 15 % в зависимости от температуры.

X5R рассчитан на работу в диапазоне температур от -55 C до +85 C с изменением емкости на +/- 15% в зависимости от температуры.

Y5V рассчитан на работу в диапазоне температур от -30 C до +85 C с изменением емкости на +22/-82% в зависимости от температуры.

Конденсаторы с более широким диапазоном температур и более стабильными температурными характеристиками, как правило, стоят дороже.

Уровень напряжения

Номинальное напряжение указывает максимальное безопасное напряжение, которое может быть приложено к конденсатору. На практике разработчики должны использовать конденсатор с номинальным напряжением, превышающим ожидаемое фактическое напряжение, для надежности. В отличие от алюминиевых электролитических конденсаторов, MLCC неполяризованы, поэтому их можно включить в цепь в любом направлении без взрыва.

Частотная характеристика

Рисунок 3 представляет собой модель схемы для MLCC. MLCC имеют паразитные ESL (эквивалентное последовательное сопротивление) и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). Они образуют резонансный контур, в котором минимальный импеданс равен ESR на резонансной частоте f = 1/(2π√LC), где L — ESL, а C — емкость. Паразиты связаны с размерами пакетов. У корпусов SMT более низкий ESL, чем у корпусов для сквозных отверстий.

Рисунок 3: Модель схемы реального конденсатора

Полное сопротивление конденсатора уменьшается по формуле Z=1/jωC, вплоть до резонансной частоты. В этот момент импеданс конденсатора равен ESR. По мере увеличения частоты в импедансе преобладает эквивалентное последовательное сопротивление, и он выглядит индуктивным, что приводит к увеличению импеданса. Рисунок 4 представляет собой график зависимости импеданса конденсатора от частоты, который показывает это поведение.

Рисунок 4: График SpiCap импеданса MLCC в зависимости от частоты

Источник изображения: снимок экрана инструмента AVX SpiCap 3.0. SpiCap доступен для скачивания здесь: http://www.avx.com/spiapps/#spicap

Несколько конденсаторов с разными номиналами и упаковками могут использоваться параллельно, чтобы обеспечить низкий импеданс на широкой частоте.

Дрейф смещения постоянного тока

Смещение постоянного тока на конденсаторе X7R вызывает незначительное изменение емкости. Рисунок 5 представляет собой график двух конденсаторов 0,010 мкФ 0805 X7R. На одном конденсаторе напряжение 50 В. Мы видим, что резонансная частота смещается на 10–20 МГц.

Рисунок 5: Смещение постоянного тока вызывает сдвиг емкости

Практические соображения

В контурах обратной связи следует использовать конденсаторы со стабильной температурой и жесткими допусками.

К шунтирующим конденсаторам предъявляются менее жесткие требования.

Выберите конденсатор с высоким номинальным напряжением, чтобы обеспечить запас.

Помните о допуске емкости.

Обратите внимание на температурный коэффициент.

Помните об ESL для высокочастотных приложений.

Помните об ESR для приложений с высокими пульсациями тока.

Параллельные различные значения для обеспечения широкого частотного охвата.

Заключение

В этой статье дается обзор многослойных керамических конденсаторов (MLCC), их конструкции и важных параметров таблицы данных с акцентом на температурный коэффициент, частотную характеристику и проблемы смещения постоянного тока.

Источник: РКЕР.ИО