電子產(chǎn)品功能越來越多，但尺寸卻越做越小。于是設(shè)計(jì)師自然會(huì)選用尺寸越來越小的電容器。之前的1206、容量至少0.1F的電容器，如今用0402即可實(shí)現(xiàn)。然，這兩種電容真的等效嗎？電路中電容劣化會(huì)隱含哪些問題？電容器規(guī)格書中的參數(shù)可信到什么程度？針對(duì)這些問題，且看本文深入分析。

作為電子工程師，最好的學(xué)習(xí)成果是，在工作中發(fā)現(xiàn)電路有工作不正常的地方后，能夠及時(shí)找到根本原因。并希望在產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前及早發(fā)現(xiàn)，越早越好。這里討論的大部分是一個(gè)關(guān)于工程“在職培訓(xùn)”的故事，希望如果你沒有意識(shí)到所有這些問題的話，會(huì)預(yù)先得到警告，并清楚了解需要注意哪些問題。

陶瓷電容器規(guī)格

很多人認(rèn)為C0G、X7R、B5X和Z5U等常用陶瓷電容術(shù)語是一種物理電介質(zhì)規(guī)格。一些制造商會(huì)說“X7R電介質(zhì)”之類的話，但這并不準(zhǔn)確。這三個(gè)字母代表的不是物理電介質(zhì)，而是一個(gè)性能評(píng)級(jí)，制造商可以選用任何電介質(zhì)配方，只要它們符合這三個(gè)字母的性能規(guī)格。型號(hào)名稱為C0G或NP0的陶瓷電容器屬于Ⅰ類，電容非常穩(wěn)定，溫漂也非常低，通常低于30ppm/℃。C0G類型電容的容積效率也最低。

Ⅱ級(jí)電容器重點(diǎn)考慮的是尺寸，其三字母編號(hào)方法詳見表1。

表1：II類電容器三字母標(biāo)注代碼。

電子產(chǎn)品中最常用的型號(hào)是X7R和B5X。這一名稱并不代表特定的電介質(zhì)，而是一種規(guī)范。制造商可以使用他們希望的任何結(jié)構(gòu)，只要它們符合規(guī)范即可。例如，“X7R”規(guī)范特征為：工作溫度范圍為-55～+125℃，而電容變化最大為±10%。

如果在任何地方都使用C0G規(guī)范的電容，我們的生活(及我們的電路)將會(huì)變得更加美好。問題是它們太大了，在大多數(shù)現(xiàn)代應(yīng)用中無法廣泛使用。下面將會(huì)看到除C0G類型以外，其他類型“電容器變壞”的地方。

電容上的直流偏置電壓

對(duì)陶瓷電容的“糟糕體驗(yàn)”，是我第一次決定在新的軟件定義無線電中主要使用陶瓷電容進(jìn)行電源總線濾波時(shí)。收音機(jī)工作正常，但電源總線發(fā)生振蕩。該電源是一個(gè)5.5伏的大容量電源，為一個(gè)由5伏低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)組成的大型網(wǎng)絡(luò)供電。當(dāng)電壓偏離至5.4V時(shí)，所謂的0.22F、0402電容器的電容量損失了一大部分，總線沒有足夠的大電容來緩沖LDO產(chǎn)生的低頻交互作用，振蕩隨之而來！

幸運(yùn)的是，這很容易解決。我只是在現(xiàn)有電容上背搭了一只2.2F電容，并繼續(xù)測試第一塊電路板。這促使我開始尋找根本原因，并仔細(xì)研究電容器數(shù)據(jù)手冊(cè)。

在該產(chǎn)品要求大幅縮小尺寸之前，一直使用額定電壓通常為50V的0603和0805型電容，供電軌上至少還用有一個(gè)鉭電容。由于電源軌在80%的時(shí)間里為5V或更低，電容器沒有出過明顯的問題。

正如其他工程師所詳述的，許多人都有類似的經(jīng)歷。隨著尺寸的減小，多年來一直有效的方法突然失效了。

眾所周知，有幾種電容器的電容量隨偏壓的升高而降低，如圖1所示。

圖1：相對(duì)于C0G電容，兩款0.01F、50V、X7R電容器的電容降低量與DC偏置的關(guān)系(A)，以及兩款X7R電容與交流激勵(lì)電平的關(guān)系(B)。另外，看似相似的X7R電容，不同制造商之間還可能存在巨大差異。

盡管使用X7R規(guī)格的電容進(jìn)行旁路，但我發(fā)現(xiàn)電容值大幅降低，因?yàn)橥瑫r(shí)降低了電容的額定電壓，這是一種被我稱之為“打擊平方”的“雙重打擊”。

之前有專家說:“為了幫助用戶，如今所有主要的供應(yīng)商都至少在其片式多層陶瓷電容器(MLCC)規(guī)格書中提供DC偏差信息，”但是最近我發(fā)現(xiàn)這不再是真的了。在過去的幾年中，這類信息幾乎在數(shù)據(jù)手冊(cè)中消失，現(xiàn)在要獲得這些信息，也必須專門去尋找。

AVX、村田和KEMET等公司的網(wǎng)站上，顯示了幾乎所有電容器的各種參數(shù)和性能曲線，但遺憾的是，這些信息通常不能轉(zhuǎn)用到另一制造商。例如，一家制造商的0.1F、10VX7R在5VDC偏置下，可能會(huì)損失4%的電容，而另一家制造商在相同條件下，電容損失量則會(huì)高達(dá)35%。這表明，即便是同一種規(guī)格，也根本不能假設(shè)一個(gè)制造商的電容性能等同于任何其他制造商的電容性能。

此外，大家可能還記得，2017年，所有類型的陶瓷電容器都出現(xiàn)了全球短缺。當(dāng)時(shí)，制造商們爭先恐后地生產(chǎn)盡可能多的器件進(jìn)行銷售。我遇到了幾個(gè)與生產(chǎn)相關(guān)的問題，不僅最終用戶做出了未經(jīng)驗(yàn)證的器件變更，而且制造商也對(duì)他們的器件進(jìn)行了更改，導(dǎo)致器件具有不同的DC偏置電壓特性曲線。

觀察當(dāng)今的電容與DC偏置的關(guān)系曲線時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)是幾十年前的制造信息，我開始懷疑它是否與現(xiàn)實(shí)相符。它只是沒有被更新嗎？而最近我發(fā)現(xiàn)這些信息不僅是沒更新，似乎還被刪除了。

電容變差引起的失真

另一個(gè)問題是失真。在模擬信號(hào)通道中，DC偏置引起的容量變化可能導(dǎo)致使用任何電容器都會(huì)出現(xiàn)的問題。我見過太多空間緊張的設(shè)計(jì)，工程師簡單地根據(jù)尺寸和額定溫度選擇電容。這種設(shè)計(jì)選擇只能用于各種各樣的數(shù)字信號(hào)處理，而對(duì)模擬信號(hào)處理則會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。

為了展示和度量這種失真效應(yīng)，使用了我的BlasterAmp項(xiàng)目的一部分，即SoundBlasterUSB加密狗的音頻輸出、用于創(chuàng)建超低失真音頻音調(diào)的軟件、還有用于測量失真的定制18位FFT分析儀、以及圖2中的電路。

圖2：用于測試失真的NE5534運(yùn)算放大器電路。

圖2中，“被測電容器”是焊接各種被測電容器的地方。當(dāng)連接到SoundBlasterUSB加密狗和一些定制軟件時(shí)，該電路產(chǎn)生一個(gè)高達(dá)16位的無失真信號(hào)(至少＞95dBc)。

圖2中的電路僅限于SoundBlaster中DAC的16位失真。按照預(yù)期測量了各種0.01F、C0G陶瓷和疊層薄膜電容。都沒有給輸出增加可測得到的失真。

當(dāng)我測量X7R電容時(shí)，有趣的事情發(fā)生了。通常，我只在旁路電路中使用X7R電容，但在實(shí)際工作中，有時(shí)候?yàn)榱烁邪盐眨@種電容器也確實(shí)會(huì)在信號(hào)處理通道誤用一兩只。幸運(yùn)的是，它們并沒有造成任何問題，因?yàn)樗鼈兊念~定電壓幾乎都是50V，遠(yuǎn)高于信號(hào)擺幅。

圖3所示為兩個(gè)看似相同的0.01F、50V、0603、X7R型器件的測量結(jié)果(信號(hào)峰峰值擺幅為20V)。可以看出，這些電容在FFT圖上具有非常不同的失真特性。表2給出了更好的失真產(chǎn)物比較，不難發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)“看似相同”的電容的失真比另一個(gè)電容好一倍！

圖3：兩個(gè)看似相同的50V、X7R、0603尺寸電容的FFT失真信號(hào)。可以看出，其中一個(gè)的失真特性明顯差很多。、

表2：圖3中不同被測電容的結(jié)果數(shù)據(jù)。其中一個(gè)電容的總諧波失真百分比是另一個(gè)電容的兩倍。對(duì)于三次諧波，即使在8位電平(-49dBc)，兩者的性能都較差！

另外，我還測量了一些X7R，0805，50V的電容，甚至還有一款0402，10V額定電壓的電容，失真情況和上面類似。0402的測試結(jié)果本想更差，因?yàn)橄鄬?duì)于其額定最大工作電壓的相對(duì)擺幅更大，但結(jié)果并非如此。這讓我覺得這些器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)曲線非常陳舊，根本不符合現(xiàn)實(shí)。我還將0402電容的偏置電壓提高到50V，漏電流也沒有明顯增加，難道它可能是基于50V電容工藝制造的？具體情況不得而知，但如果根據(jù)電容量下降與工作電壓的經(jīng)典關(guān)系曲線，結(jié)果應(yīng)該比實(shí)際情況要糟糕得多。

在我翻箱倒柜找電容進(jìn)行測量的時(shí)候，還偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)45年前生產(chǎn)的Z5U盤式電容。我原以為其失真特性會(huì)非常糟糕，但測試結(jié)果卻證明，它一點(diǎn)也不差，與現(xiàn)代X7R竟然差不多！(參見圖4)

圖4：出于興趣，對(duì)一個(gè)約50年的Z5U電容進(jìn)行測量。結(jié)果其失真沒有預(yù)期的那么嚴(yán)重。

從圖3中所測電容中取出一只，降低電容上的峰峰值電壓，一直降到使失真產(chǎn)物被埋入噪底基底內(nèi)，然后將數(shù)據(jù)繪制成圖5。

圖5：三次諧波失真與施加在圖3中一只0.1F、50V、X7R、0603電容上的峰峰值電壓的關(guān)系。與預(yù)期一致，測量的失真遵循擬合的對(duì)數(shù)趨勢線。

圖5中繪制的趨勢線與對(duì)數(shù)曲線吻合良好，這表明即使在信號(hào)通道中必須使用X7R電容，只要通道的信號(hào)電平足夠低，也不會(huì)有任何失真問題。

制造商數(shù)據(jù)表中沒有列入失真特性參數(shù)。如上所示，隨DC偏置電壓變化，看似相似的電容容量變化差異很大。

工程師所能做的就是遠(yuǎn)離除C0G以外的任何電容器，或者是在可能會(huì)出現(xiàn)失真的地方使用薄膜電容器。即使仔細(xì)測試也不一定能確保成功，因?yàn)橛肋h(yuǎn)不知道零件的設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)何時(shí)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致問題。是的，這意味著尺寸可能會(huì)成為一個(gè)問題，但有時(shí)必須進(jìn)行設(shè)計(jì)折衷。

陶瓷電容的壓電效應(yīng)

在與一些知識(shí)淵博的鎖相環(huán)(PLL)設(shè)計(jì)人員一起工作時(shí)了解到這一點(diǎn)；他們說，除C0G或X7R電容之外的任何電容都會(huì)有問題。這個(gè)“問題”是，除了用于制造C0G電容的電介質(zhì)之外，任何電介質(zhì)都使用一種自然壓電材料，當(dāng)變形時(shí)，將在器件兩端產(chǎn)生電壓。

我認(rèn)為，是在顯示冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)頻率上的RF邊帶設(shè)計(jì)中，PLL設(shè)計(jì)人員首次發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題。風(fēng)扇導(dǎo)致PCB振動(dòng)，這種振動(dòng)導(dǎo)致相關(guān)電容產(chǎn)生足夠的壓電電壓，對(duì)PLL的振蕩器諧振信號(hào)產(chǎn)生了調(diào)制，從而產(chǎn)生邊帶。將電容改為C0G型后，問題就解決了。

電容器行業(yè)都知道這一點(diǎn)，他們稱之為:“唱歌電容器”，因?yàn)楹芏嗳肆私膺@種壓電現(xiàn)象的方式與我的經(jīng)驗(yàn)相反。即如果在其中一個(gè)電容上施加交流電壓，電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)自行彎曲，如果頻率、電壓和安裝方式巧合而產(chǎn)生諧振，PCB就會(huì)變成揚(yáng)聲器，產(chǎn)生聽得到的音噪。

閱讀許多筆記本電腦的評(píng)論有時(shí)會(huì)描述在某些筆記本電腦的特定負(fù)載條件下可以聽到的聲音。他們通常將此描述為“線圈嗚嗚聲”，但它可能真的是一個(gè)“唱歌電容器”

一些制造商修改了其電容器的設(shè)計(jì)，以緩解這一問題并降低可能的音噪。過去也已經(jīng)做了一些很好的工作來證明和衡量這些問題，本文沒有必要贅述。

正如我根據(jù)其他設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)提到的，在模擬設(shè)計(jì)中，除了C0G和X7R電容之外，我不用任何其他電容，只在必要的地方使用更高密度的電容器，比如FPGA的電源焊盤之間等地方、或嚴(yán)格的數(shù)字設(shè)計(jì)中。但是，如果在時(shí)鐘線路中使用這種壓電效應(yīng)非常大的電容，誰能保證某些壓電電壓不會(huì)引起開關(guān)閾值抖動(dòng)，從而導(dǎo)致線路中產(chǎn)生不必要的時(shí)鐘抖動(dòng)呢？小心為妙！

我一直認(rèn)為X7R電容不會(huì)受到壓電問題的影響，但事實(shí)也并非如此，因?yàn)閄7R電容使用的電介質(zhì)材料本身也具有壓電特性。只是到目前為止，壓電引起的電壓非常低，故不會(huì)帶來任何問題。這種情況隨時(shí)可能發(fā)生變化，正如我在2017年大電容器短缺時(shí)的經(jīng)歷所示，所以最好非常謹(jǐn)慎。或者在適當(dāng)?shù)那闆r下使用專門設(shè)計(jì)的低音噪電容。

陶瓷電容的開裂

陶瓷電容器非常易碎。誰沒弄破過或者把端蓋搞掉過？在薄PCB上使用大的陶瓷電容器會(huì)加劇這種脆弱性，其中PCB翹曲會(huì)導(dǎo)致許多電容器破裂(如圖6所示)。我的經(jīng)驗(yàn)是，在標(biāo)準(zhǔn)厚度為0.032～0.062英寸的PCB上，使用任何大于1206尺寸的器件，我都會(huì)感到擔(dān)心。我甚至以工字梁的方式直立安裝電容器，以減少可能的應(yīng)力。許多大型陶瓷電容器陣列甚至安裝在應(yīng)力消除框架中，以減少可能的開裂應(yīng)力。

圖6：如果對(duì)任何焊接好的PCB組件施加力，將會(huì)導(dǎo)致彎曲(紅線)。那么沿彎曲安裝的任何零件將在其安裝點(diǎn)受到力的作用(黑箭頭)。陶瓷電容器非常脆，通常首先受到翹曲力的作用，并在焊接點(diǎn)爆裂。

從某種程度上來說，電容結(jié)構(gòu)的確很重要，但所有陶瓷電容都容易因翹曲應(yīng)力而破裂。謹(jǐn)記這一點(diǎn)，并根據(jù)元件尺寸使用適當(dāng)厚度的PCB，以減少可能的彎曲。標(biāo)準(zhǔn)厚度為2.2～3.0mm的PCB比0.8～1.6mm的材料堅(jiān)硬得多，可能足以解決任何潛在的翹曲問題。

請(qǐng)記住，翹曲應(yīng)力不僅發(fā)生在電路板發(fā)生物理變形時(shí)，整個(gè)組件的溫度循環(huán)也會(huì)產(chǎn)生足夠大的應(yīng)力，使陶瓷電容破裂。

一些制造商生產(chǎn)的電容器具有特殊柔性或軟焊接端，故允許焊點(diǎn)實(shí)際翹曲一些，這可以大大有助于緩解問題。

對(duì)于任何小于0603的元件，其另一個(gè)實(shí)際問題是，當(dāng)處理電路板或試圖將組裝好的電路板放入堅(jiān)硬的/法拉第屏蔽的金屬化防靜電袋中時(shí)。這些類型的金屬化袋非常堅(jiān)硬，可以非常容易地從板上剪下小零件。在將組件放入堅(jiān)硬的法拉第屏蔽袋中之前，將組件放入更柔軟或有襯墊的防靜電袋中可以防止許多損壞問題。

不知道還有什么不知道

所有這些電容問題都是眾所周知的，并有文獻(xiàn)記載，但仍未得到普通工程界的廣泛認(rèn)可。故直到如今，仍然看到一些設(shè)計(jì)，試圖在模擬信號(hào)通道中使用盡可能小的電容。遺憾的是，這些設(shè)計(jì)師還都將靠自己親自了解并經(jīng)歷電容下降、失真和壓電問題。這是很不幸的事情！因?yàn)橄裎疫@樣，被前者的經(jīng)驗(yàn)引導(dǎo)著繞過陷阱的痛苦要小得多，所以如果不是我親自遇到所有這些問題，我也不會(huì)遭受這么多痛苦。

最近，在電容器嚴(yán)重短缺之后，我重新評(píng)估了基于壓電經(jīng)驗(yàn)法則究竟可以做出多少推斷，就像X7R電容器在某種程度上不受這個(gè)問題的影響。現(xiàn)實(shí)教會(huì)我不再盲目假設(shè)，而是更加謹(jǐn)慎。正如TDK應(yīng)用說明書中所述:

“工程師不能僅根據(jù)……{電路之外}……的測量值做出通用性假設(shè)！”

仔細(xì)對(duì)電路中選用的器件進(jìn)行測試，而不要試圖根據(jù)其他類似的器件作出推斷。它們可能完全不同，更糟糕的是，這可能會(huì)在下一次零件短缺到來后的一周里就發(fā)生變化。

只有電容器會(huì)出現(xiàn)問題嗎？

不久前，當(dāng)凌特科技開始生產(chǎn)18位和20位ADC時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)即使更小的SMT電阻也會(huì)引起失真。事實(shí)證明，12位和14位分辨率的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)容易，但當(dāng)分辨率大于16位時(shí)，就需要精心設(shè)計(jì)了，需要針對(duì)每個(gè)器件，仔細(xì)檢查其非線性。包括在焊接好的電路板上進(jìn)行“敲擊”，以尋找壓電效應(yīng)！

(參考原文：Ceramic capacitors how far can you trust them）

本文轉(zhuǎn)載自：電子工程專輯

審核編輯 黃宇