Многослойный керамический конденсатор (MLCC) — одна из наиболее распространенных разновидностей конденсаторов, используемых в электронных устройствах. Он предлагает широкий диапазон объемных емкостей и допусков по напряжению в различных форм-факторах по относительно низкой цене. Хотя эти устройства стали обычным явлением в арсенале дизайнеров, они обладают некоторыми часто упускаемыми из виду особенностями.

Главной проблемой является чувствительность эффективной емкости к нескольким факторам окружающей среды, включая температуру, приложенное напряжение смещения и возраст. Если эти факторы не учитываются, риск отказа продукта становится очень реальным, особенно в связи с вариативностью производства и общим набором допусков.

Температурные соображения MLCC

MLCC обычно делятся на два класса в зависимости от типа керамического материала, используемого для диэлектрика. Конденсаторы класса I являются наиболее надежными с наименьшей чувствительностью и обычно изготавливаются из TiO2. Трехбуквенный код EIA используется для классификации температурного коэффициента (TC) в частях на миллион на градус Цельсия, множителя и допуска. Конденсаторы класса I часто обозначаются как C0G, что является самой низкой чувствительностью к температуре, подразумевая диапазон температур от -55 ° C до + 125 ° C с изменением емкости ± 30 частей на миллион / ° C и изменением общей емкости менее ± 0,3%. .

Конденсаторы класса II обычно изготавливаются из диэлектриков BaTiO3 и обеспечивают гораздо более широкий диапазон объемной емкости за счет более высокой температурной чувствительности. Обычно используемые устройства класса II: X7R, Y5V, Z5U. В таблице 1 представлены коды EIA и соответствующие значения температурного коэффициента и диапазона производительности.

Используя Таблицу 1, несколько примеров показаны ниже:

• l от -55 до +125 градусов с изменением емкости ±15% код EIA X7R
• л от -55 до +85 градусов с изменением емкости ±15% код EIA X5R
• л от -30 до +85 градусов с изменением емкости +22%, -82% код EIA Y5V

Таблица 1. Класс диэлектрика керамики, код EIA

Рисунок 1 – Изменение емкости MLCC в зависимости от температуры для различных кодов EIA

На рис. 1 показано изменение емкости во всем диапазоне температур для нескольких различных MLCC с кодировкой EIA. Знание условий окружающей среды, в которых работает конденсатор, и понимание допустимых отклонений конструкции может иметь решающее значение для правильной работы. Например, в высокотемпературном приложении выбор недорогого устройства Y5V вместо более подходящего устройства X7R практически гарантирует его отказ.

Влияние напряжения смещения постоянного тока на конденсаторы MLCC

Еще одна присущая конденсаторам MLCC чувствительность — это изменение объемной емкости при приложенном постоянном напряжении смещения. Например, как показано на рисунке 2, чем больше приложенное постоянное напряжение, тем меньше эффективная емкость. Емкость в этом примере падает примерно на 45 % при напряжении 25 В, что составляет лишь половину номинального значения 50 В устройства.

Причиной этого явления является кристаллическая структура керамического диэлектрика. Без подачи постоянного напряжения электрическое поле отсутствует, и кристаллические диполи располагаются случайным образом по всему устройству. Этот сценарий называется спонтанной поляризацией и приводит к высокой диэлектрической проницаемости и, в свою очередь, к высокой емкости.

Рисунок 2 – Изменение емкости в зависимости от приложенного постоянного напряжения для автомобильного MLCC X7R 50 В

Рисунок 3 – Поляризация кристалла без (вверху) и с (внизу) приложенным постоянным напряжением смещения

Когда применяется низкое постоянное напряжение, электрическое поле заставляет некоторые из диполей выравниваться параллельно, как показано на рисунке 3. Такое выравнивание диполей с электрическим полем уменьшает емкость. По мере того, как прикладывается большее постоянное напряжение, все больше диполей начинают выравниваться, и емкость постоянно ухудшается. Как только номинальное напряжение достигнуто, уровни емкости могут упасть на целых 70% от их номинального значения. В частности, от этого страдают устройства класса II из-за их конструкции BaTiO3.

Как и в случае температурной чувствительности, знание зависимости от напряжения смещения постоянного тока может сильно повлиять на конструкцию. Если MLCC используется для фильтрации слабого сигнала переменного тока с минимальной постоянной составляющей, могут подойти различные варианты MLCC. Если вместо этого конструкция фильтрует пульсации от высоковольтного стабилизатора постоянного тока, MLCC может быть не лучшим выбором.

Ключевым фактором зависимости смещения постоянного тока является толщина диэлектрика. По мере утолщения диэлектрика напряженность электрического поля ослабевает, а уменьшение емкости минимально. Следовательно, чтобы свести к минимуму эффект смещения постоянного тока, разработчик может применить следующие методы:

• l Выберите больший размер корпуса
• l Выберите более высокое номинальное напряжение
• l Выберите лучший диэлектрик
• l Параллельное подключение нескольких устройств

Старение MLCC

Диэлектрические материалы, используемые в MLCC более высокого класса для достижения высокой емкости, подвержены естественному процессу старения. Кристаллическая решетка этих материалов имеет встроенную энергию деформации, которая приводит к возникновению постоянного электрического диполя. Со временем эта деформация ослабевает, и емкость медленно снижается.

На рис. 4 показан пример устройства X7R и Y5V со старением более 1000 часов. Хотя этот процесс старения можно обратить вспять, подняв температуру устройства выше 120°C, разработчик должен просто включить эффект старения в расчеты срока службы продукта.

Рисунок 4. Сравнение емкости керамического диэлектрика X7R и Y5V MLCC с возрастом.

Заключение

Хотя MLCC являются бесценными устройствами в современной электронной конструкции, необходимо понимать их ограничения. В отличие от других конденсаторных технологий, разработчик должен хорошо знать требования к температуре предполагаемого применения, смещению постоянного тока и старению. Только после этого можно определить правильный диэлектрический материал, размер корпуса и топологию схемы.

Источник: EPCI