基于片状独石陶瓷电容器的电路设计方案

中心议题：
    *  各种电容器的特性比较
    *  片状独石陶瓷电容器的缺点介绍
    *  需要注意温度特性和直流电压特性
解决方案：
    *  施加直流1.25V电压进行测定

片状独石陶瓷电容器已诞生近50年。其间，片状独石陶瓷电容器通过介电体层的薄型化以及新型介电体材料的开发，稳步实现小型化和大容量化。由此，片状独石陶瓷电容器逐渐从率先普及的铝电解电容器、钽电解电容器、薄膜电容器手中夺取市场，势力范围不断扩大（图1）。比如静电容量范围在10μ～100μF的产品中，2002年片状独石陶瓷电容器的所占比例几乎为零，但随着向小型化和大容量化方向发展，到2005年可向市场投放产品中，片状独石陶瓷电容器的所占比例就升至约1/3，到2007年更是提高到了约2/3（图2）。

图1：应用范围不断扩大的片状独石陶瓷电容器以额定电压为纵轴，以静电容量为横轴

图2：大容量产品的所占比例按照不同的静电容量对电容器的总需求进行了统计，

分别明确了片状独石陶瓷电容器、铝电解电容器、钽电解电容器各自所占比例。　　

从图中可以看出，片状独石陶瓷电容器在大容量产品中的比例在逐年提高。　　

本图显示了各种电容器的产品范围。片状独石陶瓷电容器迅速向大容量化方向推进，其范围逐渐扩大。而铝电解电容器和钽电解电容器也在努力向高耐压化和大容量化方向发展，以追赶片状独石陶瓷电容器。　　

片状独石陶瓷电容器与铝电解电容器和钽电解电容器的市场边界产品为，额定电压10V左右时容量为100μF，数十V时则为数十μF。今后，这一界限无疑将进一步向着大静电容量的方向移动。　　

ESR较低，对异常电压耐受性强　　

对片状独石陶瓷电容器扩大势力范围起到推动作用的是小型化和大容量化。不过，在为电子设备选择电容器时，要考虑的特性不仅仅是外形尺寸和静电容量。片状独石陶瓷电容器绝不是万能的。在拥有长处（优点）的同时，也同样存在短处（缺点），因此需要对片状独石陶瓷电容器的各种特性加以注意。　　

这里通过表1列出了片状独石陶瓷电容器、铝电解电容、钽电解电容器的相互比较结果。片状独石陶瓷电容器的优点有两个。

表1 各种电容器的特性比较　　

 

一个是等效串联阻抗（ESR：Equivalent Series ResiSTance）较小，因此频率特性出色。ESR是指电容器内部电极等的阻抗。这一阻抗较大的话，除了判断噪声吸收特性优劣的依据、即阻抗的频率特性会变差之外，阻抗导致的发热也不容忽视。因此，在安装于微处理器、DSP及MCU等半导体芯片的周围，用于对噪声进行吸收的去耦用途时，较低的ESR值是不可或缺的要素。　　

另一个是对异常电压具有较强的耐受性。比如，以额定电压为16V、静电容量为10μF的产品进行直流击穿电压的比较时，铝电解电容器只有30V，钽电解电容器也不过30～60V。而片状独石陶瓷电容器极高，可以达到约200V。因此，即使电子设备因某种原因而出现了浪涌电压或脉冲电压时，如果配备的是片状独石陶瓷电容器的话，仍可将绝缘击穿导致故障的可能性控制在较低水准上。　　

需要注意温度特性和直流电压特性　　

而另一方面，片状独石陶瓷电容器的缺点大致有两个。　　

第一是温度特性较差。具体体现为静电容量着温度而变化的幅度较大。铝电解电容器的容量变化在-55～+125℃的温度范围内为±15％左右，而片状独石陶瓷电容器不同，有的种类（比如F特性的产品）在+30～-80％的范围内便会大幅变化。因此，在将片状独石陶瓷电容器用于汽车车内等高温环境下或滑雪场等寒冷环境下的电子设备时，需要在考虑了容量变化的基础上来设计电子电路。　　

不过，要注意的是，温度特性较差的缺点只存在于介电体材料使用钛酸钡（BaTiO3）的高介电常数型（2类，CLASS-II）片状独石陶瓷电容器中。使用氧化钛（TiO2）的1类（CLASS-I）片状独石陶瓷电容器，在-55～+125℃范围内的容量温度系数最大只有±60ppm/℃。但目前氧化钛存在介电常数较小的问题，因此未能实现大容量产品。　　

第二是存在直流电压特性（DC偏压特性）。直流电压特性是指在向片状独石陶瓷电容器施加直流电压后实际静电容量会减少的现象（图3）。比如，在向额定电压为6.3V、静电容量为100μF的片状独石陶瓷电容器实施加直流4V电压时，如果是B特性产品的话，静电容量就会减少约20％，F特性产品甚至会减少约80％。而铝电解电容器和钽电解电容器则不会出现这种现象。

图3：直流电压特性片状独石陶瓷电容器具有施加直流电压后实际静电容量减少的特性。这也被称为DC偏压特性　　

因此，在选择片状独石陶瓷电容器时，需要事先测定信号的直流电压成分，掌握实际静电容量的减少程度（参阅“考虑DC偏压因素的标记方法，JEITA实施标准化”）。不过，“利用最尖端微细加工技术制造的半导体芯片，其电源电压已经降低到了非常低的程度。最近，在1.0V左右的电压下工作的芯片也不罕见。因此，直流电压特性的问题还不显着”（村田制作所 元器件事业本部 本部长 山内公则）。　　

另外，出现直流电压特性问题的也仅限于2类产品。原因是钛酸钡为强介电体的缘故。因此，使用本身为顺电体的氧化钛的1类产品不会发生直流电压特性问题。　　

考虑DC偏压因素的标记方法，JEITA实施标准化　　

片状独石陶瓷电容器的静电容量容易随着被施加的直流电压而变化。即所谓的DC偏压特性。因此，在实际用于电子电路时，得到的容量与规格说明书上的数值不一样的事情也时有发生。电子设备的设计人员如果不掌握DC偏压特性的话，最坏的情况是设计出来的电子设备甚至可能会无法正常工作。　　

为此，日本电子信息技术产业协会（JEITA）于2007年制定了“JEITA RCX-2326”标准规格，要求在性能指性中标识在施加直流电压的状态下测定的容量值。该标准规格规定的片状独石陶瓷电容器对象是使用钛酸钡介电体材料的2类产品。而且限定的是额定电压为2.5V的产品。也就是说，该标准规格是以微处理器、DSP及MCU等的供电线路所使用的去耦用途为对象的。　　

施加直流1.25V电压进行测定　　

比较新标准规格与原标准规格“JIS C 5101-22”，不同之处汇总如下（表A）。

表A　针对直流电压特性的现有规格与新规格的比较
　　
在静电容量的测定上，新规格改为在施加1.25V直流电压和0.1Vrms交流电压的状态下对容量进行测定。而原来的“JIS C 5101-22”规格并不要求施加直流电压，只是要求在施加0.5～1Vrms交流电压的状态下对容量进行测定。　　

另外，有关静电容量的容许偏差和温度特性的测定也改为在施加1.25V直流电压的状态下进行测定。而原规格则不要求施加直流电压。　　

这一新规格的制定，无疑可使电子设备的设计人员更为轻松地选用对自己来说最佳的片状独石陶瓷电容器。目前，村田制作所已向市场投放了符合新规格要求的产品。