【经验】解析钽电容器和II类MLC电容器,以及选择电容器时的考虑因素

2022-03-29 Knowles
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如今,品类繁多的电容器各具特性,这使得电路设计师和电气工程师很难确定什么是最适合其应用的。更令人困惑的是,现在有的人对于电容器存在一些误解,如认为钽电容和II类MLCC是可以互换的,而事实上情况并非总是如此。每种电容器类型都有各自明显的优缺点,掌握了每种电容器的特点能够确保您选择正确的技术,以更好地满足您的特定应用需求。此次楼氏电容((KNOWLES)将带您简要了解钽电容和II类MLCC,以及在选择电容器时需要考虑的各种因素。


钽制电容器是一种无源电解电容器。这些电容器由阳极(或正极板)、氧化物层(充当电容器的电介质)和阴极(或负极板)组成。更具体地说,钽电容器使用多孔金属钽颗粒作为阳极,氧化物层作为介电层,锰氧化物层作为阴极(图1)。钽电容可以分为径向、轴向和表面贴装(SM)形式。

图1 典型的钽电容器的结构示意图


MLC电容是无源陶瓷电容,使用陶瓷层作为介质和薄金属层作为电极(图2)。MLCC可分为引脚式和表贴式两种形式,主要用于低容值(pF - uF)应用。一般情况下,MLCC分为以下两类:

    · I类电容器——高稳定性和低损耗谐振电路应用

    · II类电容器——更高容积效率的旁路和耦合应用

其中II类MLCC与钽电容器最具可比性,因为II类MLCC具有更高的容积效率。因此,我们接下来将侧重于讨论MLCC中的II类电容器。

图2 为MLCC的构造示意图


上文已经对这两种电容器类型的结构差异进行了基本概述,那么让我们看看在选择这两种电容器时,最适合您的应用以及需要考虑的各种因素。


1、容积效率和高容值

钽电容和MLC电容都有很高的容积效率,这意味着在给定尺寸下,这二类电容可以提供高容值。然而,钽电容的一大优点是,它们可以提供高达1,000µf的电容值,是II类MLCC最大电容值的10倍。这使得钽电容非常适用于需要快速爆发、小封装充电的场合,如除颤器和起搏器等医疗植入器件。


2、等效串联电阻和频率范围

等效串联电阻(Equivalent Series Resistance/ESR)是电容中的内阻。在高频范围尤其是在100kHz或更高的频率下,II类MLCC的ESR比钽电容低得多,所以在高频应用如卫星通信设备中使用时不会过热。钽电容在高频的可靠性较低,可能会导致过度的功率损耗并缩短电池寿命。


由于ESR增加了电路中的阻抗,在高频条件下,钽电容在平滑滤波和耦合应用方面不如MLCC有效。图3显示了不同频率范围内各种类型电容器的ESR。

图3 五种不同类型的电容器从低频到高频的ESR变化情况,并表明MLCC在最高频率下显示的ESR最低


3、温度稳定性、直流偏压效应和老化

一般来说,钽电容具备较好的温度稳定性,在不同工作温度下的容值的线性变化最小。这使得钽电容非常适合在极高温度下工作,例如应用在井下油气作业中接近125℃的电路中。在这些极端环境中,使用钽电容比使用II类MLCC容值的变化要小得多。此外,MLCC会受直流偏压的影响而钽电容则不会。


另外,钽电容的容值不会随着时间的推移而变小,也不存在任何的会随着电容器的老化而磨损的机制。在II类MLCC中使用的介质是铁电体,介电常数会随着时间的推移而降低,从而导致容值下降。同时,II类MLCC是压电的,这意味着MLCC可能因电压波动而向各个方向振动,产生无用噪声。因此,钽电容非常适合需要长期稳定性、低噪声和高容值的应用,如汽车电子应用。

图4 随着温度和直流电压的变化,钽和MLCC的容值稳定性一览


4、工作电压和配置

II类MLCC可以安全运行至12kV,而钽电容的额定电压则低得多,范围为4V至50V,具体取决于尺寸。对钽电容施加高于额定电压的电压会导致灾难性故障,有可能会引发燃烧、火灾、小爆炸和热失控(图5)。因此,高压应用如电源、高压输出滤波器和电压放大器等,需要的是MLCC而不是钽电容。

图5 钽电容器在超过其安全操作极限下使用后着火的示例


钽电容在85°C以上的环境工作,电压也会线性降低。因此,如需要在最高工作温度环境下工作,制造商通常建议钽电容的工作电压不超过其额定电压的50%(图6)。

图6 钽电容及I类、II类MLCC的工作温度和容值之间的关系


此外,MLCC可以以任何方式进行定向,因为它有两个非极化的侧面焊接到电路板上。只要两个端头都连接在电路上,它就可以运行。另一方面,钽电容是极化的,就像电池一样,这意味着这些电容器需要定向到正确的一端才能正常工作。如果操作不当且电容器受到高反极性脉冲,则有可能出现爆炸性故障。


如上所述,钽电容和MLCC并不总是可互换的。当然如果考虑的参数只有容值时,那么这两类电容器可以互换,MLCC相较钽电容更适用于较低水平的容值应用中。


然而,大多数的应用往往需要考虑更多的参数,而不仅仅只是容值。因此在需要大容值、小封装和长期稳定性的应用中,钽电容是一个绝佳的选择。而针对高频或高压应用,II类MLCC因其具备的整体可靠性被视为理想之选。

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SFAJL5000471MX,SFBDC5000220ZC,SFSUC5000150ZC0,SFBDT5000102MX,SFCMC5000333MX,SFBCC5000102MX,SFJGL5000224MX,SBSGC5000102MX,SFCDC5000681MX,SFBLL5000333MX,SFABL5000102MX,SFKKC5000330ZC,SFBML5000100ZC,SFAKT1000104MX,SFBML5000151MC,SFJNL2K00331MC,SFBCL5000681MX,SFCML5000221MC,SFJGL2K00471MC,SFKKT5000103MX,SFJNL2K00682MX,SFJGL1K00223MX,SFSUC5000680MC0,SFABC2000683MX,SFJGL1K00683MX,SFAKT5000681MX,SFBMC5000102MX0,SFABC5000103MX,SFBCL1000104MX,SFLMC1000104MX,SFBCP5000442ZX,SFBDT5000333MX,SFJNL2K00222MX,SFJGC2000105MX,SFJGP5000944MX,SFAJC5000472MX,SFBCP5000200ZC,SFAAC,SFCMC5000104MX,SFSUC5000683MX0,SFBDL5000470ZC,SFBCC5000333MX,SFKKC5000152MX,SFKKT5000101MC,SFCML5000683MX,SBSGC5000333MX,SFBDP5001N36MX,SFBDP5000443MX,SFBDC5000100ZC,SFBMP5000302MX,SFBDT5000331MC,SFTMC5000470ZC,SFABL5000333MX,SFBDT5000222MX,SFCDL5000471MX,SFBDC5000151MC,SFBDP5000201MC,SBSGC5000222MX,SBSMP5000152MX,SFAJC5000221MC,SFJNL2K00102MC,SFKKT5000332MX,SFKBL5000470ZC,SFKKL5000220ZC,SFLMP0500304MX0,SFAJC1000104MX,SFBCL5000101MC,SFBLL5000331MC,SFJGC5000334MX,SFCDL,SFCDC5000101MC,SFABL5000682MX,SFAJL5000153MX,SFBDP5000663MX,SFJGC3K00151MC,SFCDP,SFCMC5000222MX,SFJGC2K00472MX,SFKKT5000223MX,SFBML5000153MX,SFBCC5000150ZC,SFJNC2K00103MX,SFBCC5000682MX,SFBLL5000222MX,SFCDC,SBSMC5000472MX,SFABL5000150ZC,SFBDT2000473MX,SFBMT2000683MX,SFBMC5000472MX,SFCDC5000332MX,SFLMT5000100ZC,SFBCL5000332MX,SFLMC5000101MC,SFCDL1000474MX,SFJNL1000155MX,SFTMC5000333MX,SFLML5000680MC,SFAAC5000100ZC,SFCDC5000683MX,SFBCC2000473MX,SFKKL5000100ZC,SFABL5000680MC,SFLML5000153MX,SFKKT5000681MX,SFKKL5000151MC,SFABC5000101MC,SFAAC5000151MC,SFKKT5000221MC,SFBCC5000680MC,SFABL2000473MX,SFJNC0500335MX,SFTMC5000150ZC,SFSUC5000223MX0,SFCDP5000942MX,SFAKL2000683MX,SFCDL5000153MX,SFUMC5000220ZC,SFABC5000332MX,SFAKL5000332MX,1206Y1000103MXTE07,SFLML2000473MX,SFLMT5000151MC,SFLMC5000221MC,SFBLC5000332MX,SFBLC2000683MX,SFDPP0500944MX0,SFSRC5000220ZC0,SFAAC5000471MX,SFCMC5000102MX,SFLMP5000942MX,SFBDP5000301MC,SFCMC2000224MX,SFBCL2000683MX,SFCML5000681MX,SFAJC5000681MX,SFAJL5000100ZC,SFBLL5000102MX,SFCML5000472MX,SFKKT1000104MX,SBSPP1000682MX,SFBCL5000221MC,SFBDT5000150ZC,SBSGC5000682MX,SFAJL5000151MC,SFCDC5000221MC,SFBCP5000202ZX,SFLMC5000223MX,SFBML5000220ZC,SFABC5000223MX,SFJGP1K0136NMX,SFBDP5000203MX,SFKKT2000683MX,SFAKC5000470ZC,SFLMC5000332MX,SFCMC5000150ZC,SFKBL5000682MX,SFAAC5000153MX,SBSMC1000224MX,SFBDC5000153MX,SFJNC2K00332MX,SFLMT5000220ZC,SFAKT5000472MX,SFBLL5000150ZC,SFJGL5000104MX,SFLML5000471MX,SFSTC5000101MC0,SFJGC2K00103MX,SFAJL5000331MC,SFTMC,E01,SFBCP1000443ZX,E03,SFAKC5000152MX,SFAAC2000473MX,SFCDL5000102MX,E07,SBSGP5000222MX,SFBMC5000681MX,SFBMT5000220ZC,SFUMC0500154MX,SFJGL2K00331MC,SFUMC5000680MC,SFAJL5000682MX,SFKBL5000222MX,SBSGP0500224MXB,SFAJL5000222MX,SFBMP2000943MX0,SFKBC5000103MX,SFAJC2000683MX,SFJGP2K00302MX,SFKBL5000331MC,SFCDC5000154MX,SFKKC5000470ZC,SFBCC5000471MX,SBSMP5000472MX,SFJGL2K00682MX,SFBLC5000220ZC,SFABL5000471MX,SFKBC5000223MX,SFCMC5000473MX,SBSMC5000683MX,SBSMC5000223MX,SFJNC2000105MX,SFLML5000220ZC,SFJGL2K00222MX,SFAKL5000220ZC,SFTMC5000330ZC,SFBMP5000442MX,SFCML0500684MX,SFLMT2000683MX,SFBLC5000151MC,SFKBL5000102MX,SBSPP1000222MX,SFSUC1000334MX0,SFTMC2000473MX,SFCMC,SFAKT5000152MX,SFBML0500154MX,SBSGC5000473MX,SFCDL5000222MX,SFCML,SFBML5000471MX,SFAAC5000220ZC,SFAJC5000330ZC,SBSGP5000102MX,SFBLL5000680MC,SFJNL5000154MX,SBSMC5000332MX,SFUMC5000101MC0,SFLML5000151MC,SFCMC5000680MC,SFBMC1000104MX,SFJGL0500335MX1,SFBLC5000681MX,SFAKT2000683MX,SFLMC5000103MX,SFKBL2000473MX,SFBMT1000104MX,SFCDL5000331MC,SFBCC5000102MX0,SFBDT5000470ZC,SFAKL5000100ZC,SFJGP2K00942MX,SFLMC2000683MX,SFLML5000100ZC,SFLMT5000103MX,SFBLP0500943ZX,SFJGC2K00332MX,SFAKL5000151MC,SFAKL5000681MX,SFBLC5000100ZC,SFBMP5000662MX,SFCML5000103MX,SFKBL5000333MX,SFBMP5000940ZC,SFUMC5000151MC,SBSGC5000153MX,SFSTC5000472MX0,SFBMC5000330ZC,SFSTC5000102MX0,SFAJL0500154MX,SFKBL5000150ZC,SFKBC5000221MC,SBSPP1000102MX,SFBCL5000472MX,SFCMC5000331MC,SFBDT5000102MX0,SFUMC5000100ZC,SFCDL5000680MC,SFJGC0500335MX,SFAKL5000472MX,SFKBC5000101MC,SFBMT5000153MX,SFSUC5000332MX0,SFABL,SFBLC5000472MX,SFCDC5000472MX,SFBCP5000941ZX,SFBDL5000330ZC,SFBCL5000152MX,SFCDC5000152MX,SFABC,SFCDP5000302MX,SFAKL1000104MX1,SFJGC2K00681MC,SFBMT5000100ZC,SBSMC2000154MX,SBSMP2000104MX,SBSGP0500224MX,SFJNL1K00153MX,SFSRC0500473ZX0,SFAJL2000683MX1,SFBLC5000153MX,SFJGP2000205MX,SFBDP5000661MC,SFAKL5000153MX,SFJGL2K00102MC,SFKKL2000683MX,SFCDL5000682MX,SFBMP50013N6MX,SFBMT5000151MC,SFCML5000332MX,SFCDL5000473MX,SFKBC5000332MX,SFBDL5000152MX,SFBLP2000203ZX,SBSMC5000103MX,SFBMP5000202MX,SFAKT5000330ZC,SFBLL0500154MX,SFJNC3000684MX,SFJGL1000225MX,SFBDC2000683MX,SFUMC5000471MX,SFCML5000101MC,SFSUC5000220ZC0,SFBML5000680MC,SFAJL5000680MC,SFBLL5000682MX,SFBMC5000152MX,SFAKC5000330ZC,SFCML5000223MX,SFSTC2000473MX0,SFBDP5000441MC,SFJGC1K00333MX,SFAJC5000152MX,SFUMC5000153MX,SFCMC5000682MX,SFJGP1K00943MX,SFBDC5000331MC,SFBDT5000330ZC,SFLMT2000473MX,SFBDC5000222MX,SFBDP5000941MX,SFCDP5000661MC,SFBCC5000151MC,SFCDP5000201MC,SFBCC5000100ZC,S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