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陶瓷电容器的“糟糕经历”

发布时间:2022-11-14阅读:24906

电子产品体积更小、功能更多是一种普遍趋势。这转化为:“把它塞进去”,因此设计师自然会寻找越来越小的零件。
纸面上至少有一个 0.1 µF、1206 大小的电容器,今天可以买到 0402 大小的电容器。但它真的是等效电容吗?我们将看看这里的一些问题。
作为工程师,我们得到的最好的学习是当我们做了一些不能正常工作的事情,然后我们发现了根本原因。希望这在我们将产品投入生产之前很久就发生了。这里讨论的大部分内容都是关于工程“在职培训”的一个漫长而悲伤的故事,希望如果您不了解所有这些问题,您将得到预先警告并知道要注意什么。
陶瓷电容器规格
我们很多人都认为 C0G、X7R、B5X 和 Z5U 等常见的陶瓷电容器命名法是物理电介质规范。一些制造商会说“X7R 电介质”之类的东西并没有帮助。但是这三个字母的名称不是物理电介质,它们是一个性能评级系统,制造商可以使用他们选择的任何电介质配方,只要它们符合三个字母的性能规范。型号为 C0G 或 NP0 的陶瓷电容器(它是“零”,而不是名称中的“哦”)属于 1 类类型,有非常稳定的电容器,其温度漂移非常低,低于每摄氏度 30 ppm。C0G 类型的容积效率也最低。
尺寸是 II 类电容器发挥作用的地方。三字母 II 类电容器标签系统。电子产品中最常用的类型是 X7R 和 B5X。该名称并未指出特定的电介质,而是一种规范。制造商可以使用他们希望的任何结构,只要它们符合规范。例如,“X7R”具有以下特性: -55 o C 至 +125 o C 的工作温度范围和 +/-10% 的最大电容变化。
如果我们在所有地方都使用 C0G 指定的电容器,生活(和我们的电路)会好得多。问题是它们太大了,无法在大多数现代应用程序中随处使用。正如我们将在下面看到的,除了 C0G 类型之外的任何东西都是“电容器变坏”的地方。
当陶瓷电容坏了——直流偏置
我对陶瓷电容器的“糟糕经历”是当我第一次决定在新的软件定义无线电中使用主要是陶瓷的配电总线时。收音机工作得很好,但电源总线是一个 5.5 V 大容量电源,为一个由 5 V 低压差稳压器 (LDO) 组成的大型网络供电,它发生了振荡。我使用的假定 0.22 µF、0402 电容器在偏置到 5.4 V 时仅仅损失了大部分电容,并且总线没有足够的大容量电容来缓冲由于 LDO 而产生的低频相互作用。震荡随之而来!
幸运的是,这很容易解决。我只是在现有电容器上搭载 2.2 µF 电容器并继续测试第一个电路板迭代。这让我找到了根本原因并仔细研究了电容器数据表。
在该产品需要大幅缩小尺寸之前,我一直使用 0603 和 0805 尺寸的电容器,通常额定电压为 50 V,至少有一个钽电容器用于电源轨。由于我的电源轨在 80% 的时间内为 5 V 或以下,因此电容器没有表现出明显的不良行为。
众所周知,几个电容器的电容相对于偏置的减小。两个 0.01 µF、50 V、X7R 电容器的电容减少与 C0G 电容器相比的典型曲线与直流偏置 (A) 以及两个 X7R 电容器与交流激励电平 (B) 的比较。看似相似的 X7R 电容器制造商之间可能存在很大差异。
尽管我使用 X7R 规格的电容器进行旁路,但我看到电容值大幅降低,因为我同时降低了电容器的额定电压,得到“双重打击”,我称之为“打击平方”。 ”
在过去的几年里,大量的数据表中都缺少这些信息,现在如果你能找到它,你必须专门去寻找它。AVX、Murata 和 KEMET 仅举几例,其网站显示了几乎所有电容器的各种参数和性能曲线 ,但遗憾的是,这些信息通常不能转移到其他制造商的部分。例如,一家制造商的 0.1 µF、10 V、X7R 在 5 VDC 偏置下会损失 -4% 的电容,而在相同条件下,另一家制造商的电容会降低 -35%。这表明您不能简单地假设一个制造商的电容器性能等同于任何其他制造商的电容器。
此外,您可能还记得 2017 年全球范围内所有类型的陶瓷电容器都短缺。当时,制造商争先恐后地获得足够的零件来销售。我遇到了几个与生产相关的问题,不仅最终用户更改了未经测试的部件,而且制造商也对其部件进行了更改,导致它们具有不同的直流偏置特性曲线。
环顾当今的电容与直流偏置曲线,您会发现已有数十年历史的制造商信息,我开始怀疑它是否更接近现实。它根本没有被更新,最近似乎被删除而不是更新。
当陶瓷电容器变坏时——失真
我看到的另一个问题是扭曲。直流偏置的电容变化可能会导致在模拟信号路径中使用电容器的问题。我见过太多的工程师有空间缺口,只是根据尺寸和温度等级来选择电容器。这使得他们能够设计各种“数字”电容器,对模拟信号处理带来灾难性的后果。
显示和测量这种失真效应,我使用我的爆破项目的一部分,即音频输出声音爆破USB狗,和软件创建非常低的失真音频音调,定制18位,FFT分析仪测量失真。 NE5534 运算放大器电路,用于测试失真。测试电容器是我焊接各种电容器进行测试的地方。该电路在连接到 Sound Blaster USB 加密狗和一些定制软件时,会产生 16 位电平(> 95 dBc 失真)的无失真信号。设置仅限于 Sound Blaster 中 DAC 的 16 位失真。我按预期测量了各种 0.01 µF、C0G 陶瓷和堆叠薄膜电容器。他们没有给输出增加可测量的失真。
当我测量X7R电容器时,有趣的部分出现了。通常,我只在旁路电路中使用X7R电容器,但我肯定在载波期间会让一到两个滑动进入信号处理路径。对我来说幸运的是,它们没有造成任何问题,因为它们几乎总是50 V的额定电压,而且这远低于所使用的信号波动。
显示了两种看似相同的0.01µF,50V,0,0603,X7R类型,具有20伏的峰信号摆动。可以看出,这些电容器在FFT图上有非常不同的失真特征。表2是对失真产品的一个更好的比较。其中一个“看似相同”的电容器的失真比另一个好2:1!两个看似相同的50 V,X7R,0603大小的电容器的FFT失真特征。可以看出,一个人有明显更差的失真特征。
我还测量了一些 X7R、0805、50 V 电容器,甚至是 0402、10 V 额定电容器,其失真与上述类似。0402 应该更糟,因为相对于其额定最大工作电压的摆动更大,但事实并非如此。这就是让我认为许多这些部件上的数据表曲线非常陈旧并且不再符合现实的原因。我还将 0402 电容器偏置到高达 50 V,而泄漏电流没有明显增加,那么它可能是建立在 50 V 电容器工艺之上的吗?我不知道,但根据经典的电容下降与工作电压曲线,它应该比以前差得多。
当我在我的零件中翻找要测量的电容器时,我还遇到了一个 45 岁的 Z5U 盘式电容器。我以为它会表现出非常糟糕的失真,但事实证明它并没有那么糟糕,与现代 X7R 差不多。
没有制造商将失真列为规格,并且如上所示,看似相似电容器的电容变化与 DC 偏置数据的变化很大。
您所能做的就是远离 C0G 类型以外的任何东西,或者使用可能存在失真问题的薄膜电容器。即使仔细测试也可能无法确保成功,因为您永远不知道零件的设计或构造何时会发生变化,从而导致生产问题。是的,这意味着尺寸可能会成为一个问题,但有时必须在设计上做出权衡。
当陶瓷电容器坏了——压电效应
当我与一些知识渊博的锁相环 (PLL) 设计师合作时,我了解到了这一点。他们告诉我,除了 C0G 或 X7R 电容器之外的任何东西都会有问题。这个“问题”是,除了用于制造 C0G 电容器的电介质之外,任何电介质都使用天然压电材料,并且在变形时会导致电压在部件上产生。我认为 PLL 设计人员首先发现这个问题是在设计显示冷却风扇旋转频率处的射频边带时。风扇使 PCB 振动,这种振动导致相关电容器产生足够的压电电压来调制 PLL 的振荡器调谐线,从而产生边带。将电容器更改为 C0G 类型使问题消失。
电容器行业知道这一点,他们称之为:“唱歌电容器”,因为大多数人以与我的经验相反的方式了解这种压电现象。如果在其中一个电容器上施加交流电压,它们就会自行弯曲,如果频率、电压和安装恰到好处,它会将 PCB 变成扬声器,从而产生可听噪声。
阅读许多笔记本电脑的评论有时会描述在某些笔记本电脑的特定负载条件下可以听到的可听见的呜呜声。他们通常将此描述为“线圈啸叫”,但它可能实际上是一个“唱歌电容器”。
一些制造商已经修改了他们的电容器的设计,以减轻问题并降低可能的噪声 。
过去有一些很好的工作来证明和衡量这些问题,我在这里重复它们是没有意义的,请参阅参考资料。
正如我根据其他设计师的经验所提到的,在我的模拟设计中,除了 C0G 和 X7R 电容器之外,我一直远离任何其他电容器,只在必须使用的地方使用更高密度的电容器,例如在 FPGA 的电源焊盘之间等。 ,或者在严格的数字设计中。虽然,如果您在时钟线路中使用这些压电电容器中的一个,谁能说某些压电电位不会导致开关阈值抖动,从而在线路的下游造成不必要的时钟抖动?当心!
我一直认为 X7R 电容器不会受到压电问题的影响,但事实并非如此,因为 X7R 电容器使用的电介质材料本身也是压电的。只是到目前为止,压电电荷水平太低而不会引起任何问题,您的里程可能会像他们所说的那样有所不同。这种情况随时可能改变,正如我对 2017 年电容器严重短缺的经历所表明的那样,因此最好非常谨慎。或者在适当的情况下使用一种专门设计的低噪声电容器。
当陶瓷电容器坏了——开裂问题
陶瓷电容器非常脆弱。谁没有破解或端盖脱落?在薄 PCB 上使用大型陶瓷电容器可能会加剧这种脆弱性,在这种情况下,弯曲会导致许多电容器破裂。我的经验是,我害怕在标准 0.032 或 0.062 英寸厚的 PCB 上使用任何大于 1206 尺寸的部件。我什至以工字梁方式将电容器直立安装,以减少可能的应力。许多大型陶瓷电容器阵列甚至安装在应力消除框架中,以减少可能的开裂应力。如果对任何已完成的 PCB 组件施加力,导致任何弯曲(红线)。然后沿弯曲安装的任何部件将在其安装点(黑线)处受到力。陶瓷电容器非常脆,通常首先受到弯曲力的影响,并在安装点处破裂。
电容器结构在某种程度上确实很重要,但所有陶瓷电容器都容易因弯曲应力而破裂。牢记这一点并根据组件的尺寸使用适当厚度的 PCB 以减少可能的弯曲是很好的。0.090 或 0.120 英寸厚的 PCB 比标准的 0.032 或 0.062 英寸厚的材料更硬,可能足以解决任何潜在问题。
请记住,弯曲应力不仅会在您对板进行物理变形时发生。对完成的组件进行温度循环也会导致足够的应力使陶瓷电容器破裂。
一些制造商生产的电容器具有特殊的柔性或软端子,允许焊点实际弯曲一些,这可以极大地帮助缓解问题。
任何小于 0603 的组件的另一个实际问题是,当您处理电路板或尝试将组装好的电路板放入坚硬/法拉第屏蔽的金属化防静电袋中时。这些类型的金属袋非常坚硬,可以很容易地将小零件从板上剪下来。在将组件放入坚硬的法拉第屏蔽袋之前,将组件放入更柔顺或有衬垫的防静电袋中可以防止很多损坏问题。
你不知道你不知道什么
所有这些电容器问题都已广为人知并已记录在案,但仍未得到普通工程界的广泛认可。我今天仍然看到尝试在模拟信号路径中使用尽可能小的电容器的设计。遗憾的是,这些设计人员即将直接了解电容下降、失真和压电问题。这是不幸的,因为像我一样被引导绕过陷阱的痛苦要小得多,所以如果我不得不亲自遇到所有这些问题,我所遭受的痛苦就没有那么大了。
最近,在电容器严重短缺之后,我重新评估了我可以根据我假设的压电经验法则做出多少外推,即 X7R 电容器在某种程度上不受这个问题的影响。我不再盲目假设,而是更加谨慎。正如 TDK 应用说明 [7] 所述:
“工程师不能仅根据……{电路外}……测量做出一般假设。”
仔细测试你想在电路中使用的部分,但不要试图推断其他类似的部分。它们可能完全不同,更糟糕的是,下周下一个零件短缺到来时,它们可能会发生变化。
电容器不是唯一可能的问题
 

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