陶瓷电容的设计（构造、特性、分类原理寿命）

1、陶瓷电容的设计（构造、特性、分类，原理，寿命）（一）陶瓷电容器基本构造 / 分类 / 特性 1 多层陶瓷电容的基本构造 陶瓷电容器采用钛酸钡、钛酸锶等高介电常数的陶瓷材料作为电介质 , 在陶瓷 基体两面喷涂银层、镍，然后烧成金属薄膜作极板制成。根据加工工艺来分，陶瓷电容可分为单层陶瓷电容（ ceramic singlelayer capacitor ）和多层陶瓷电容 (multiple layer ceramic capacitor) 。近年来，多层工艺得到了很大发展，陶瓷电容的容值得到了很大提高。多层按照结构来分陶瓷电容可分为镍栅栏端子（ nickel-barrier termination

2、 ）陶瓷电容和银钯端子（ silver palladium ）陶瓷电容。 镍栅栏端子（ nickel-barrier termination ）的多层电容的结构图如下： nme ： noble metal electrode bme ： base metal electrode 如图所示，其连接端子包含三个金属层。最里面一层由高电导率的银 / 铜组成，它提供极好的电气连接，中间层由镍组成，最外一层由金属锡构成，它能防止镍层被氧化及提供好的可焊性。对于常用的贴片封装（ 0402 ， 0603 ， 0805 ， 1206 ， 1210 ）陶瓷电容，镍栅栏终端是其标准的结构。 银钯端子（ silve

3、r palladium ）陶瓷电容结构图如下： 大封装（ 1812 ， 2220 ）贴片的陶瓷电容采用银钯端子结构，这种镀金属法改善了电容的热阻特性。 2 陶瓷电容的基本分类及特性 根据 eia 和 iec 推荐的标准，陶瓷电容可以分为两类： class1 和 class2 。 class1 主要以二氧化钛和硅酸镁作为电介质， class2 主要以碱性的钛酸盐作为电介质。 分类 特性 代号 一般容值范围 推荐电路 class 1(low k 系 ) 1. 近似线性的温度系数 2. 容值基本不随电压改变 3. 很大的绝缘电阻 c0g (np0), u2j chip: 0.1ff-0.1uf 带通

4、滤波电路、耦合电路、温度补偿电路、谐振电路 lead:1pf-680nf class 2(hi-k 系 ) 1. 很高的介电常数，具有较大的容值 2. 容值受温度、工作电压影响较大。 3. 容值随使用时间呈对数关系减少 x7r,y5v x5r ， x8r chip:100pf-100uf lead:220pf-4.7uf 旁路电路、去耦电路 （二） 陶瓷电容电气参数定义及特性 1 等效电路及参数 陶瓷电容的等效电路如下所示： l ：等效电感 esr ：等效串连电阻 c ：等效电容 其交流阻抗的幅值由下式确定： 其中 f 为所加电压的频率。 电容 c 由以下表达式决定： n 为电极个数（金属膜的

5、层数），对于单层陶瓷电容， n 2 。 在高频使用时，电容的等效电感可能会引起电容的谐振，这可能会影响电路的功能。在谐振频率附近，电容的阻抗会急剧降低。陶瓷电容的等效电感与自身尺寸有关，特别时电容的引线，是构成等效电感的重要部分。一般地，陶瓷电容的谐振频率是其容值的函数，随着容值的增加其谐振频率降低。陶瓷电容的谐振频率一般都在 mhz 以上。 2 陶瓷电容的容值特性 从图上可以看出：一类陶瓷电容具有优越的温度特性和电压特性，因此常用于定时电路和温度补偿电路。 （三） 陶瓷电容的 电路设计 在选择陶瓷电容时，需考虑器件耗散功率、最大电流、额定电压、线路正常工作时的温升等因素。这些工作参数又与电容

6、的应用频率有关。 1. 耗散功率 决定耗散最重要的因素就是等效串连电阻（ resr ）和最大工作电流。 pcd=ic2resr 电容的等效串连电阻由介质电阻 (rsd) 和金属电阻 (rsm) 组成。 rsd 由介质成分、纯度和微观结构决定。 rsm 由电容中所有金属部分的电阻决定，这包括电极、终端及阻挡层的金属。在低频下占 主导地位的是介质电阻，高频下则是金属电阻占主导地位。 2. 工作电流 最大工作电流应该小于额定电流。制造商以如下两种方式表述额定电流：由额定电压决定的电流，或者由功率耗散决定的电流。电容值和工作频率决定了使用哪种方式来确定额定电流。 如果电容在某个设备中的额定电流由电压决

7、定， 那么额定工作电流值可用额定电容均方根电压和容抗的关系来计算。 其中 。xc=1/2fc 如果由允许的最大耗散功率决定，则 当工作频率或电容值增加到一定程度时， 由电压决定的电流和由耗散功率决定的电流数值相等。这种情况发生在图中虚线和实线相交处。在频率高于这个交点时， 额定电流完全由功率耗散限度决定。在这个区域里电容额定工作电流是由电容功率耗散的极限所决定的。 某系列电容的电流 i c 容值和频率的关系（实线段代表由电压限定的电流 i cv ；虚线段代表由功率耗散限定的电流 i cp ） 3. 工作电压 额定电压（ u r ）是在允许的温度范围内，施加在电容上的最大允许电压。它由 dc 电

8、压 ac 电压的峰值之和，这是由电介质的强度决定的。 在满足额定工作电压的情况下，施加于陶瓷电容上的 ac 电压也必须满足如下一定条件。允许的 ac 电压其频率响应如下图所示： 频率在 0 f1 阶段，允许施加 ac 电压的有效值为一常数，其值u1=ur/2 , 这是由陶瓷材料允许的最大电场强度决定。频率 f1 由下式决定：f1= qmax/2u12c。 在频率 f1-f2 阶段，允许施加 ac 电压的有效值 ，这是由允许无功功率qmax决定。频率 f2 由下式决定： 。 在频率大于 f2 阶段，允许施加 ac 电压的有效值u3=imax/2fc，这是有最大允许电流决定。 imax 具体参照规

9、格书。 4. 陶瓷电容的温升 沿热流的轴方向上最大温度变化叫做温升或热梯度。电容的温升可以近似计算如下： t= rpd ， 其中 r 为电容对应的热阻。 5. 陶瓷电容的寿命 陶瓷电容的失效主要是由于老化引起的，这是由于其电容值随着使用时间而衰减。 class 2 电容的容值随时间衰减，其关系可以近似用下式表示： ct=c1(1-klog10t) ct ： t 小时后电容的容值，单位为 f c1 ：使用 1 小时后电容的容值，单位为 f k ：老化常数 t ：使用时间 电容容值超出允许值之外所经历的时间称为电容的老化时间，它决定了电容的使用寿命。对电容加热倒居里温度（大约为 130-150 ）时，电容容值将会增