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用聚合物和电容代替高CV MLCC要考虑哪些因素?

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  • 发表于:2019-01-04 18:27 分享至:

    在整个电子产业中,客户正在经历积层陶瓷电容(MLCC)短缺,特别是对于外壳尺寸更大和电容更高的设备。在这种情况下,客户正在评估将聚合物钽和模塑钽电容作为替代方案。他们希翼寻找电路应用中的“甜蜜点”,如滤波、稳压和缓冲。本文先容了评估和测试过程,并为成功替换提供一些必要提示。

    这些电容系列是一些最常用的表面黏着组件,是许多应用的理想选择。为了确保成功替换,需要考虑使用不同材料和结构导致的一些性能差异,然后考虑一些参数差异,看它们是否与电路性能目标相符。

    电容

    用于替换最可能的MLCC候选者采用“II类”电介质材料。这种II类陶瓷(通常为X7R或X5R)的容值会在温度范围内变化,这种特征称为电容温度系数(TCC),参见图1。

    20190104-CV-MLCC.jpg

    图1 电容温度系数。

    对于典型的X5R组件,温度范围为-55°C~+85°C(此范围±15%)。II类电介质还具有压电效应(VCC),参见图2。随着施加到MLCC的电压接近额定电压,电容将显着下降,这些TCC和VCC特征是附加的,因此,对于工作在+85°C且接近额定电压的II类组件,电容可能只有指定数据表值的30%。

    20190104-CV-MLCC-1.jpg

    图2 压电效应。

    相比而言,聚合物钽电容不具有显着的VCC效应,因此在施加电压的条件下,容值保持非常稳定。此外,随着温度的升高,这些组件的电容实际上会略微增加(图3)。

    20190104-CV-MLCC-2.jpg

    图3 温度与电容容值关系图。

    总体来讲,对于需要更大容值的表面黏着应用,如大容量储能或电源滤波,聚合物钽电容提供的电容性能优于具有相似额定值的MLCC。事实上,如果电容是应用中的驱动因素,可以用单个聚合物钽替换多个MLCC。

    额定电压、降额和极性

    人们通常认为MLCC以满额定电压运作是“安全的”,尽管许多设计人员降额约20%以提供VCC效应,从而在电路中产生较低的有效容值。

    然而,对于10V及以下的额定值,设计人员必须将聚合物钽组件降额10%,对10V以上额定值的产品,必须降额20%。相比之下,传统的钽(MnO2)组件必须降额50%,但如果满足技术要求,则可以提供优秀的成本解决方案。

    尽管极性不是MLCC的考虑因素,但对于聚合物和钽组件,极性必须保持。这使得它不能用于可能发生反向电压浪涌的一些开关应用。

    等效串联电阻(ESR)

    ESR是阻抗(Z)的实数部分,并且包含电容中的所有电阻损耗。当讯号通过电容时,由于ESR的加热效应,能量会损失。

    MLCC的ESR低于聚合物钽,而电压和电容相似。更低ESR的组件在地线噪声解耦时更有效,可以处理更高的RMS波纹电流,并且在提供瞬时高电流方面更有效。其次,低ESR组件有效地满足脉冲电流需求,避免放电期间的压降,并使输入电压参数更低,但是极低的ESR有时会导致反馈回路电路的不稳定性。

    等效串联电感(ESL)

    电容的物理尺寸是ESL的主要决定因素。MLCC的长边端接设计已用于降低高速应用中的电感,但总的来说,对于具有“正常”结构的类似尺寸设备,由于电感组件,性能不太可能存在重大差异。

    高速电路是一个例外,其中的感应负载可能会延迟传送来自电容的所需电流,从而影响电路性能。阻抗(Z)的影响因外壳尺寸而有不同,如图4所示。

    20190104-CV-MLCC-3.jpg

    图4 阻抗影响因外壳尺寸而有不同。

    DC泄漏电流(DCL)

    此值根据电容类型而指定不同的数值。可以这样总结:MLCC的漏电流更低,并且比聚合物钽的性能高出约五倍。

    其他相关信息

    MLCC提供了优异的ESR和DCL结果,而且也是非极化的,因此,如果选择聚合物钽,则必须在PCB上保持极性。在机械方面,当在拾取和放置,以及装配过程中在板卡上使用较大尺寸的外壳时,MLCC更容易破裂。

    高电容MLCC可能表现出压电效应,这可能会导致与较高频率的干扰,并且出现带有可听噪声的“唱/哨声”,使其在某些DC/DC转换和音讯应用中成为不佳的选择。

    聚合物钽电容提供了高而稳定的容值,在施加电压时几乎不受影响。但它们的ESR和DCL高于II类MLCC,且材料和结构使它们不易受到板卡弯曲和高温回流方法而造成的机械损坏。

    替换设备

    在变更时,设计人员应考虑:
    ˙电容(TCC和VCC)。
    ˙外壳尺寸(尤其是剖面高度)。
    ˙电压额定和降额。
    ˙极性(对于聚合物和钽)。
    ˙动态参数,包括DCL、ESR与ESL。

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