技術(shù)資訊 | 一文了解用于高頻電路的高穩(wěn)定性電容器

本文要點(diǎn)

不同的陶瓷類別、MLCC 及其與穩(wěn)定性的關(guān)系。

品質(zhì)因數(shù)/耗散因數(shù)是確定穩(wěn)定性的指標(biāo)。

什么時(shí)候在設(shè)計(jì)中使用MLCC的替代品。

電容器在電子產(chǎn)品中無(wú)處不在，這是有充分理由的：它們?yōu)樵S多不同類型的電路執(zhí)行多種關(guān)鍵功能。雖然高穩(wěn)定性電容器在許多情況下都很有價(jià)值，但它們?cè)诟咚?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/105/" target="_blank">射頻應(yīng)用中格外出色。由于電容器往往在高頻下會(huì)泄漏更多能量，防止損耗到環(huán)境中是節(jié)能的，并防止組件和基板的熱老化。

陶瓷電容器：類別和封裝

電容器在電路中起著各種各樣的作用。作為電子產(chǎn)品的基本組成部分之一，電容器可以濾波、去耦、平滑信號(hào)、充當(dāng)動(dòng)力儲(chǔ)備，并提供許多其他基本功能。為了最好地匹配這些不同的用途，電容器有許多不同的材料和結(jié)構(gòu)可供選擇。

在討論穩(wěn)定性時(shí)，陶瓷電容器是一個(gè)很好的起點(diǎn)，國(guó)際電工委員會(huì)定義了三種不同類別的陶瓷電容器：

1 類電容器可在各種工作和環(huán)境條件下提供高穩(wěn)定性和低損耗。

2 類電容器包含更大的存儲(chǔ)能力，但在極端溫度下以非線性方式工作。

3類電容器提供比 2 類更大的存儲(chǔ)能力，同時(shí)具有更大的不穩(wěn)定性。由于多層陶瓷電容器（MLCC）已經(jīng)超出了與3類電容器相關(guān)的技術(shù)能力，該分類已不再使用，不再標(biāo)準(zhǔn)化。

在穩(wěn)定性方面，1 類電容器為設(shè)計(jì)人員提供了最佳選擇，適用于充足的三位數(shù)溫度范圍，同時(shí)保持嚴(yán)格的容差。但是，它們并非普遍適用。額定電容相同的 2 類電容器所需的占位面積比同等的 1 類電容器小得多。當(dāng)布局狹窄時(shí)，1類電容器可能無(wú)法滿足電路的電容要求。

形式服從功能：包裝與穩(wěn)定性的關(guān)系在封裝方面，MLCC（陶瓷通孔圓盤）已成為與高穩(wěn)定性電容器最相關(guān)的封裝。前者是由大多數(shù)對(duì)鐵電材料以及形成電介質(zhì)所需的任何金屬的均勻粉狀混合物形成的。一系列電極交替連接到兩個(gè)端子上，形成一堆微型電容器（在介電層之間散布）。粉末介質(zhì)的粒度越小，電極板越薄，從而減小封裝尺寸或增加容量電容。一些制造工藝的重新安排，例如沿機(jī)身的長(zhǎng)邊緣電鍍或使用芯片陣列格式，可以降低等效尺寸封裝的等效串聯(lián)電阻（ESR）。ESR是一種重要的診斷工具，為評(píng)估電容器的穩(wěn)定性提供了一個(gè)指標(biāo)。使用品質(zhì)因數(shù)測(cè)量高穩(wěn)定性電容器電容器的穩(wěn)定性也可以通過其品質(zhì)因數(shù)（簡(jiǎn)稱為Q因數(shù)）來(lái)分析。簡(jiǎn)單來(lái)說，Q因數(shù)測(cè)量電容器的效率;從熱力學(xué)上講，不可能有一個(gè)完美的能量存儲(chǔ)，因此電容器（和許多其他設(shè)備）是通過將損耗與電容器的總存儲(chǔ)能力聯(lián)系起來(lái)來(lái)評(píng)估的。按理說，電容器的Q因數(shù)越大，其減少漏電的性能就越好。從數(shù)量上講，該方程將有損阻抗和無(wú)損阻抗分量關(guān)聯(lián)如下：

Q 因子與電流的無(wú)功（無(wú)損）和電阻（有損）逆流有關(guān)

電抗，記作XC，表示虛值的、無(wú)損的電流阻力，而電阻（電容器中的ESR）是實(shí)值的有損對(duì)立。換句話說，Q因數(shù)越高，電容器越接近其理想形式，最大限度地減少歐姆加熱的損耗。雖然電容保持不變（前提是避免介電擊穿），但電抗和ESR都是頻率相關(guān)值。因此，Q因子代表一個(gè)可變的響應(yīng)，通常在數(shù)據(jù)表中以值得注意的頻率或以曲線覆蓋更廣泛的值范圍報(bào)告。一個(gè)相關(guān)的值，耗散因數(shù)（DF），可以替代Q因子，兩者相為倒數(shù)。當(dāng) q 因子僅皮膚深度時(shí)Q 因數(shù)/耗散因數(shù)是所有電容器的關(guān)鍵考慮因素嗎？不一定，但對(duì)于某些應(yīng)用，如果不使用適當(dāng)?shù)碾娙萜鳎瑩p耗可能會(huì)變得難以承受。這在高頻電路中最常見，其中頻率的增加導(dǎo)致電流密度向?qū)w表面的更大集中。這種現(xiàn)象被稱為集膚效應(yīng)，由于交流電中的反電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體中心最強(qiáng)，因此將電荷徑向推到邊緣。由于電阻是組件的外部特征，面積的減小意味著電阻的有效增加。這種作為熱量損失的能量的增加足以在明顯的高頻板中引起脫焊事件。一般來(lái)說，電容和損耗因子是負(fù)相關(guān)的，高穩(wěn)定的電容器缺乏體電容，反之亦然。用于生產(chǎn)這些高穩(wěn)定性電容器順電二氧化鈦混合物缺乏具有更高容積效率的電容器中常見的鐵電材料的介電常數(shù)。單個(gè)鐵電電容器的材料可以額定為多達(dá)30-70個(gè)順電電容器的相對(duì)介電常數(shù)。在需要可觀電容的密集設(shè)計(jì)中，鉭電容器可能被證明是最有效的選擇，但相對(duì)于陶瓷而言，它們的成本過高。

選擇合適的電容器高穩(wěn)定性電容器對(duì)于您的設(shè)計(jì)功能至關(guān)重要，由于它們?cè)趶V泛的工作輸入范圍內(nèi)具有出色的性能特征，您的電路板很可能已經(jīng)包含這些電容器。MLCC是絕大多數(shù)非極化SMD電容器，可全面滿足大多數(shù)電容器需求，包括諧振、平滑、旁路和（去）耦合。對(duì)于設(shè)計(jì)師和工程師來(lái)說，更重要的是需要了解更具體、通常更昂貴的電容器解決方案的差距。

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