1、1,陶瓷電容與鉭質(zhì)電容及電解電容簡(jiǎn)介,電容概述 陶瓷電容 鉭質(zhì)電容 鋁電解電容 電容的性能比較 電容失效模式 電容的選用 電容與電壓、電流紋波,2,一.電容概述,1.電容結(jié)構(gòu) 自1746年荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電容以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，電容種類已經(jīng)非常豐富，但其基本結(jié)構(gòu)仍然保持不變，如下圖所示：,電容用于存儲(chǔ)電荷 ，它只能允許交流電經(jīng)過(guò)，直流 電被阻擋。在電路中，通常用于調(diào)諧、濾波、極間 耦合等方面，是主要元件之一。,3,2.容值、電壓、電量關(guān)係,當(dāng)對(duì)電容進(jìn)行充電時(shí)，兩個(gè)電極分別聚集了等量 的正負(fù)電荷，從而在兩極之間產(chǎn)生一個(gè)電壓，電壓與電量的關(guān)係可以用如下公式表示： Q=CV V表示電容兩極之間的電壓

2、 Q表示電容兩極閒的電荷，單位是庫(kù)侖，1庫(kù)侖=61019個(gè)電荷。 C是電容的容值，是一個(gè)常數(shù)。,4,3.電容的分類與符號(hào),按電容量可否調(diào)整分為：固定電容器、可變電容器和微調(diào)電容器,固定電容,可變電容,微調(diào)電容,電解電容,按所用介質(zhì)不同分為：有機(jī)介質(zhì)電容器、無(wú)機(jī)介質(zhì)電容器、電解電容器和空氣介質(zhì)電容器等。,按用途分有：高頻旁路、低頻旁路、濾波、調(diào)諧、高頻耦合、低頻耦合、小型電容器。,按電容有無(wú)極性分為：無(wú)極性電容和有極性電容兩大類,5,電容器的單位是法拉(F),常用單位還有微法(F)、 納法(nF)和皮法(pF),換算:1F=106F=109 nF=1012 pF,4.電容器的單位與標(biāo)示,電容器的

3、標(biāo)識(shí)方法有三種：,直標(biāo)法：直接標(biāo)注在表面，如果數(shù)字是整數(shù)， 則單位是pF;數(shù)字帶小數(shù)點(diǎn)，單位是F。 文字符號(hào)法：用文字與數(shù)字混合標(biāo)注，若字母在中 央，則充當(dāng)小數(shù)點(diǎn)。 色標(biāo)法：與電阻相同，讀取方向由電容體 引腳。,6,電容器的參數(shù),標(biāo)稱容量：在外殼上標(biāo)明的，由國(guó)家規(guī)定的電容器電容量的標(biāo)準(zhǔn)值。 允許誤差范圍：實(shí)際電容量與標(biāo)稱電容量的允許最大偏差范圍，分三級(jí)I-5%,II-10%,III-20%。 額定工作電壓：在允許的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，能夠長(zhǎng)期施加在電容器上的最大電壓有效值稱為額定電壓（一般為直流電壓）。 溫度系數(shù)：在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1，電容量的相對(duì)變化值。 絕緣電阻：指兩個(gè)電極間絕緣介質(zhì)

4、的電阻，越大越好。 損耗：在電場(chǎng)的作用下，電容器在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)熱而消耗的能量。 頻率特性：電容器的電參數(shù)隨電場(chǎng)頻率而變化的性質(zhì)。 等效串聯(lián)阻抗:對(duì)非理想電容,其內(nèi)部電極與端電極之間存在的電阻值.,7,1.定義:片式多層瓷介電容器(MLCC)-簡(jiǎn)稱片式電容器,是由印好電極（內(nèi)電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯(cuò)位的方式疊合起來(lái)，經(jīng)過(guò)一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極），從而形成一個(gè)類似獨(dú)石的結(jié)構(gòu)體，故也叫獨(dú)石電容器。,二、片式多層瓷介電容器(MLCC),8,2.1 尺寸,根據(jù)EIA分法有13種通用的SIZE： 英制： 01005, 0201, 0402, 0603, 0805, 1

5、206, 1210, 1805, 1808, 1812, 1825, 2220, 2225 公制： 0402, 0603, 1005, 1608, 2012, 3216, 3225, 4512, 4520, 4532, 4564, 5650, 5664 2.2外形,9,結(jié)構(gòu)主要包括三大部分:陶瓷介質(zhì)，金屬內(nèi)電極，金屬外電極。而多層片式陶瓷電容器它是一個(gè)多層疊合的結(jié)構(gòu)，是由多個(gè)簡(jiǎn)單平行板電容器的并聯(lián)體。,3.結(jié)構(gòu),10,內(nèi)部構(gòu)造,11,電極材質(zhì),12,陶瓷是一個(gè)絕緣體，而作為電容器介質(zhì)用的陶瓷除了具有絕緣特性外，還有一個(gè)很重要的特性：就是極化。即它在外加電場(chǎng)的作用下，正負(fù)電荷會(huì)偏離原有的位置，從

6、而表現(xiàn)出正負(fù)兩個(gè)極性。絕緣體的極化特性我們一般用介電常數(shù)來(lái)表示，即介質(zhì)的K值。,4.陶瓷介質(zhì)的特性,下面例舉不同材料的介電常數(shù)：,真空： 1.0 空氣： 1.004 紙： 46 玻璃： 3.719 三氧化二鋁（Al2O3）： 9 鈦酸鋇（BaTiO3）： 1500 結(jié)構(gòu)陶瓷： 1020000,13,5.瓷介的分類,陶瓷是一種質(zhì)硬、性脆的無(wú)機(jī)燒結(jié)體，一般分為兩大類： 功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷。用來(lái)制造片式多層瓷介電容（MLCC） 的陶瓷是一種結(jié)構(gòu)陶瓷，是電子陶瓷，也叫電容器瓷。,1)照EIA三級(jí)分類,有五種通用的介質(zhì),COG(NPO),X7R, X5R, Z5U,Y5V 類電容器瓷(COG)，它是順電

7、材料 類電容器瓷(X7R、 X5R 、)，它是鉄電物質(zhì)材料 類電容器瓷（ Y5V、Z5U ），它是鉄電物質(zhì)材料,14,6.瓷介代號(hào),陶瓷介質(zhì)的代號(hào)是按其陶瓷材料的溫度特性來(lái)命名的。 目前國(guó)際上通用美國(guó)EIA標(biāo)準(zhǔn)的叫法，用字母來(lái)表示。 常用的幾種陶瓷材料的含義如下：,Y5V：溫度特性Y代表 25； 5代表85； 溫度系數(shù)V代表 80 30 Z5U：溫度特性Z代表 10； 5代表85； 溫度系數(shù)U代表 56 22 X5R: 溫度特性X代表-55C; 5代表+85 溫度係數(shù)R代表 15 X7R：溫度特性X代表 55； 7代表125 溫度系數(shù)R代表 15 NPO：溫度系數(shù)是30ppm/（-55125）

8、,15,7.電氣特性,電容量:電容量的大小表示電容器貯存電荷的能力。,7-1.電容量（C）,16,MLCC介質(zhì)厚度和層數(shù)的發(fā)展,17,MLCC介質(zhì)常數(shù)k與溫度穩(wěn)定性,1.介質(zhì)常數(shù)k越高, MLCC體極效率越高;但介質(zhì)常數(shù)k增加時(shí),溫度穩(wěn)定性変差; 2.如下所示為COG, Z5U,X7R,Y5V介質(zhì)的MLCC介 質(zhì)常數(shù)與溫度,容值與溫度的曲綫圖：,18,由圖可知,EIA 類順電材料介質(zhì)COG(NPO),它的介質(zhì)常數(shù)k幾乎不隨溫度變動(dòng),EIA 類鉄電材料介質(zhì)X7R的介質(zhì)常數(shù)變動(dòng)不大, EIA 類鉄電材料介質(zhì)Z5U,Y5V,溫度越高,介質(zhì)常數(shù)K變小.,19,影響電介常數(shù)k的因素,電介質(zhì)有4種基本的極

9、化結(jié)構(gòu)： 電子,原子,偶極或方向性,空間電荷 EIA 類電介質(zhì)是電子或原子支配的極化結(jié)構(gòu);它 可以獲的優(yōu)秀的溫度穩(wěn)定性和低的k值(580), 很低的損耗. EIA / 類是偶極或方向性支配的極化結(jié)構(gòu); 它可以獲的最高介電常數(shù)k.例如:BaTiO3有高的k 值,適合x7r電介質(zhì).,20,MLCC 制造流程,21,影響電容量的因素:片式電容器的電容量除了由它本身的設(shè)計(jì)與材料特性所決定外，在很大程度下同它的測(cè)試條件、溫度、電壓和頻率有很大的關(guān)系。,22,電容量與溫度的關(guān)係:溫度是影響電容器電容量的一個(gè)重要因素，我們把電容量同溫度的這種關(guān)系特性叫做電容器的溫度特性(Temperature Coeffi

10、cient)。對(duì)于較為穩(wěn)定的類電容器，其影響相對(duì)較小，幾乎沒(méi)有變化;對(duì)于類電容器，其影響相對(duì)較大。,23,電容量與直流電壓的關(guān)系:在電路的實(shí)際應(yīng)用中，電容器兩端可能要放加一個(gè)直流電壓，我們把電容器的這種情況下的特性叫做直流偏壓特性。對(duì)于較為穩(wěn)定的類電容器，其影響相對(duì)較小，幾乎沒(méi)有變化;對(duì)于類電容器，其影響相對(duì)較大。介質(zhì)厚度越厚，產(chǎn)品的偏壓特性就越好。,24,電容量與交流電壓的關(guān)系:類電容器的交流特性比較好，基本不隨施加電壓的變化而變化。但是，對(duì)于類電容器，其容量基本是隨所加電壓的升高而加速遞升的，特別X7R此特性比較明顯。,交流特性圖,25,電容量與工作頻率的關(guān)系:對(duì)于類電容器其應(yīng)用頻率的增加

11、，它的容值不會(huì)有什么變化，但對(duì)于類電容器，容值下降較為明顯。,電容量與頻率的關(guān)系曲線圖,26,頻率響應(yīng)(串聯(lián)諧振),27,頻率響應(yīng)(并聯(lián)諧振)：,28,7-2.絕緣電阻(IR),體內(nèi)漏電流:在電介質(zhì)中通?；蚨嗷蛏俅嬖谡⒇?fù)離子，這些離子在電場(chǎng)作用下將定向遷移，形成離子電流，我們稱之為體內(nèi)漏電流。 表面漏電流:在電容器的表面，也會(huì)或多或少地存在正負(fù)離子，這些離子在外電場(chǎng)的作用下，會(huì)發(fā)生定向遷移，形成表面漏電流。 電容器的漏電流:是陶瓷介質(zhì)中體內(nèi)漏電流與芯片表面的漏電流兩部分組成。 介質(zhì)的絕緣電阻:加在介質(zhì)兩端的電壓和漏電流之比稱之為介質(zhì)的絕緣電阻,即 電容器的絕緣電阻除了同其本身所固有介質(zhì)特性相

12、關(guān)外，同外界環(huán)境溫度、濕度等有很大的關(guān)系。 溫度升高時(shí)，瓷介的自由離子增多，漏電流急劇增加，介質(zhì)絕 緣電阻迅速降低。 濕度對(duì)電容器電性能影響最大,會(huì)因表面吸潮使表面絕緣電阻 下降。,29,7-3.損耗(DF),DF損亦稱損失角正切:因?yàn)殡娙萦糜诮涣麟娐分袝r(shí)會(huì)在電路中產(chǎn)生一個(gè)相位角，此相位角的余角即為損失角。DF=tan DF(耗散因素)用來(lái)表明電容將輸入功率轉(zhuǎn)化為熱量的百分（）,30,介質(zhì)損耗同溫度的關(guān)系:,介質(zhì)損耗同溫度的關(guān)系曲線圖,31,介質(zhì)損耗同交流電壓/密爾厚度的關(guān)系:,介質(zhì)損耗同交流電壓/密爾厚度的關(guān)系曲線圖,32,介質(zhì)損耗同頻率的關(guān)系,介質(zhì)損耗同頻率的關(guān)系曲線圖,33,7-4.等效

13、串聯(lián)電阻ESR：,ESR:ESR的損耗由介質(zhì)損耗(Rsd)和金屬損耗(Rsm)兩部分組成。即:ESR = Rsd + Rsm,34,MLCC等效電路,35,ESR對(duì)電路的影響,36,交域下之電容器等效電如右圖；其中等效電阻(RS)，將會(huì)隨同頻而有所改變。各頻點(diǎn)之等效電阻(ESR)如右曲線圖所示。 ESR越高，通過(guò)電所消耗功亦越高，元件越容發(fā)熱。 隨著疊層層增加,容值亦增加ESR隨著並而下。 MLCC相同設(shè)計(jì)下，容值越高，ESR越低，Ripple Current特性越好。,37,7-5.品質(zhì)因素(Q),品質(zhì)因素:Q值就是介質(zhì)損耗DF的倒數(shù)。 即：Q = 1/DF。 一般高Q即具備低ESR的特性。

14、 在設(shè)計(jì)時(shí)，高頻下我們應(yīng)考慮ESR和Q值對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響；低頻下應(yīng)考慮損耗(DF)對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響。,38,7-6.耐電壓(DWV),電容器的耐電壓:是指電容器的陶瓷介質(zhì)在工作狀態(tài)中能夠承受的最大電壓，即擊穿電壓，也就是電容器的極限電壓 電容器的標(biāo)稱電壓即電容器的工作電壓，標(biāo)稱電壓一般是相對(duì)于直流來(lái)說(shuō)的。而電容器的耐電壓常規(guī)也是相對(duì)直流來(lái)說(shuō)的，但有時(shí)也常用交流來(lái)表示。 電容器的標(biāo)稱電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其瓷介的耐電壓。標(biāo)稱電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于芯片的耐電壓。比如，1206B102K101NT其標(biāo)稱電壓為100V，也就是其工作直流電壓要低于100V，而實(shí)際上其耐電壓直流可達(dá)1200V左右；交流可達(dá)500V左右。,3

15、9,8.應(yīng)用,其中高容量,低ESR,ESL的X7R MLCC電容堆,主要用于開關(guān)電源的濾波,低ESL允許在高頻濾波,40,三、鉭質(zhì)電容,定義:鉭電解電容是用金屬鉭作電極、氧化鉭作介質(zhì)的電容器，其示意圖如下 特點(diǎn):化學(xué)穩(wěn)定性高，額定耐壓高，耐高溫性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，體積小。,1.定義,2.外形,41,3.各種類型的鉭電容結(jié)構(gòu),1)二氧化錳鉭電容( MnO2 ),42,2)有機(jī)聚合體鉭電容(KO),43,3)鋁有機(jī)聚合體鉭電容(AO),44,鉭電容的制造流程,1)制壓陰極,45,2)焊接陽(yáng)極,46,4.各類型鉭電容特性,鉭電容具有低的ESR,低的漏電流,no ignition failure mo

16、de,高的溫度穩(wěn)定性;在ESR,no ignition failure mode方面,KO和AO具有更佳的表現(xiàn).,47,4.鉭質(zhì)電容的基本電氣參數(shù),4.1 Cp(Capacitance)容值 一般電解電容器的電容量範(fàn)圍為其容量從0.47uF到1000uF , 測(cè)試頻率為120Hz。 4.2電容值誤差Tolerance 4.3 D.F(Disspation Factor) 損失因素 4.4 UR(Voltage Rating) 額定電壓 電容器在電路中能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠工作，所承受的最大直流 電壓。額定電壓壓主要有6.3V、10V、16V、63V幾種。 4.5 LC(Leakage Curren

17、t)漏電流 4.6 ESR(Equivalent Series Resistance)等效串聯(lián)阻抗 4.7 RC(Ripple Current)紋波/濾波電流 常指微小的脈沖電流,表示其在電路中之耐沖擊性能。,48,5.溫度及頻率特性,鉭質(zhì)電容的以上電氣參數(shù)通常規(guī)定在20,120Hz條件下測(cè)得,它們 隨溫度及頻率的變化而變化。,5.1溫度對(duì)參數(shù)的影響,溫度升高,Cp值及LC會(huì)增大,49,溫度對(duì)容量的影響:溫度升高,Cp值增大,50,溫度對(duì)漏電流的影響:溫度升高,LC值增大,51,5.2頻率對(duì)參數(shù)的影響,頻率升高,Cp值及ESR值會(huì)減小,但DF會(huì)增大,52,頻率對(duì)ESR的影響:頻率升高,ESR值

18、減小,53,頻率對(duì)損失因素的影響:頻率升高,DF值會(huì)增大,54,6.貼片鉭質(zhì)電容使用注意事項(xiàng),反相電壓不允許 鉭質(zhì)電容有極性,有絲印的一方為正極,插入時(shí)要確認(rèn)極性的正確性。 過(guò)壓 不要提供超過(guò)額定電壓最大值的電壓，即如圖所示:脈沖電壓的峰值加上直流電壓之和不要超過(guò)電容本身的額定電壓。,55,脈沖電流 不要提供超過(guò)規(guī)格最大值的脈沖電流 產(chǎn)品在長(zhǎng)時(shí)間放置之后,在使用之前一定要確認(rèn)是 否有反?，F(xiàn)象,56,四.鋁電解電容Aluminum CAP,1.鋁電解電容有液態(tài)和固態(tài)兩類,固態(tài)又有OS-Con和聚合體兩類. 2.液態(tài)鋁電解電容的結(jié)構(gòu),57,3.等效線路,58,4.固態(tài)鋁電解電容,1)OS-Con鋁

19、電解電容結(jié)構(gòu),該類電容的電解液為固態(tài)電解液,59,2)鋁聚合體電解電容結(jié)構(gòu),該類電容的電解液為固態(tài)電解液(聚合體電解液).,60,5.鋁電解電容的特性,鋁電解電容具有高容值,高的額定電壓,較小 的ESR值,較小的漏電流. 固態(tài)鋁電解電容和鋁聚合體電解電容具有 更小的ESR值,更佳的溫度穩(wěn)定性.,61,6.電解電容的基本電氣參數(shù) :,5.1 Cp(Capacitance)容值 一般電解電容器的電容量範(fàn)圍為0.47uF-10000uF, 測(cè)試頻率為120Hz。 5.2 (Tolerance)電容值誤差Tolerance 一般電解電容器的電容值誤差範(fàn)圍為M 即 +/-20% 5.3 D.F(Diss

20、pation Factor) 損失因素 一般電解電容器因?yàn)閮?nèi)阻較大故D值較高, 其規(guī)格視電容值高低決定, 為0.1-0.24以下。 5.4 UR ( Voltage Rating) 額定電壓 電容器在電路中能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠工作，所承受的最大直流 電壓。對(duì)于結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、容量相同的器件，耐壓越高，體積越大。 5.5 LC(Leakage Current)漏電流 在規(guī)定的環(huán)境溫度中,最大連續(xù)直流電壓下通過(guò)電容的電流。此為電解電容器之特定規(guī)格, 一般以電容器本身額定電壓加壓3 Min後, 串接電流表測(cè)試, 其漏電流量需在0.01CV ( uF電容量值與額定電壓相乘積) 或3uA以下 (取其較大數(shù)值)

21、。特定低漏電流量使用 (Low leakage type) 則其漏電流量需在0.002CV或0.4uA以下。,62,5.6 ESR(Equivalent Series Resistance)等效串聯(lián)阻抗 對(duì)非理想電容,其內(nèi)部電極與端電極之間存在的電阻值,它表 示轉(zhuǎn)化成熱能的損失量。 ESR=DF/2fc 5.7 DS(Dielectric Strength)耐電壓 電容的選擇,其耐電壓應(yīng)大於電路所要求的電壓。 注意:但對(duì)電解電容而言,高耐電壓值的電容用於低電壓電路 中,額定電容量會(huì)減少。如一個(gè)5V電源電路中用50V額定電壓 的電容,其電容量約減少一半。 5.8 SV(Surge Voltage

22、)浪涌電壓 給其加的一個(gè)沖擊電壓(一般為1.3倍RV,充放電1000個(gè)循環(huán)),63,7.溫度及頻率特性:,電解電容的以上電氣參數(shù)通常規(guī)定在20,120Hz條件下測(cè)得,它們 隨溫度及頻率的變化而變化.,7.1溫度對(duì)參數(shù)的影響,A.溫度升高,Cp值及LC會(huì)增大,但ESR會(huì)減小.,B.溫度降低,Cp值及LC會(huì)減小,但ESR會(huì)增大.,64,溫度對(duì)容量的影響:溫度升高,Cp值增大,65,溫度對(duì)ESR的影響:溫度升高,ESR值減小,66,溫度對(duì)漏電流的影響:溫度升高,LC值增大,67,溫度對(duì)損失因素的影響:溫度升高,DF值減小,68,7.2 頻率對(duì)參數(shù)的影響,A. 頻率升高,Cp值及阻抗會(huì)減小,但DF會(huì)增

23、大.,B. 頻率降低,脈衝電流產(chǎn)生熱量增加將導(dǎo)致ESR增大,69,8.貼片電解電容使用注意事項(xiàng),8.1 反相電壓不允許 電解電容有極性,黑色絲印的一方為負(fù)極,插入 時(shí)要確認(rèn)極性的正確性 8.2 充/放電使用 標(biāo)準(zhǔn)的電解電容不適合重複充/放電使用 8.3 過(guò)壓 不要提供超過(guò)規(guī)格電壓最大值的電壓 8.4 脈沖電流 不要提供超過(guò)規(guī)格最大值的脈沖電流,70,五、電容器的特性比較表,71,電容器的性能比較表,72,MLCC與鉭質(zhì)電容的頻率特性及溫度特性比較,73,電容器的Z值比較表,74,電容器的ESR的頻率特性比較表,75,去紋波能力比較（Input pulse 1MHz）,76,去紋波能力比較（Input pulse 500KHz）,77,6.電容的失效模式,1.液態(tài)電解電容失效模式主要有:電極損壞,焊接過(guò)熱電解液蒸發(fā),漏電流變大,DF,ESR,Z變大等,78,2.MLCC電容