03.27 C0G特性及高耐壓MLCC的特點與替換解決方案

電子設備中擁有各類電容器,並分別發揮著其各自的特性。一般情況下,電容器的電容量與耐電壓(而定電壓)無法兼顧,且屬於此消彼長的關係,在相同尺寸下,耐電壓提高,則電容量會出現下降趨勢。

薄膜電容器擁有高耐電壓,且具備恰到好處的電容量,同時,由於頻率特性及溫度特性優異,因此多用於車載電子設備、產業設備及家電設備等產品中。

但近年來,用於溫度補償(種類1)的MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)中,耐電壓與電容量也出現了明顯擴大,尤其在諧振電路等用途中,以往一般使用薄膜電容器的領域中也逐漸被MLCC所取代。

TDK開發的C0G特性·高耐壓MLCC是一款在行業最高等級的廣電容量範圍(1nF~33nF)內實現了1000V耐電壓的產品。

以下將通過C0G特性·高耐壓MLCC的特點與薄膜電容器進行比較,並就各種替換的優點進行說明。

通過電介質陶瓷材料的不同,MLCC大致可分為種類1(溫度補償用)與種類2(高介電常數類)。

種類2的MLCC擁有大容量特點,但也存在因溫度的變化導致電容量變化率大的缺點。另一方面,種類1的MLCC雖然無法達到高介電常數類產品的大容量,但由於溫度變化導致的電容量變化率較小,且由於頻率特性優異,因此被用於對精度要求較高的電路等。

鋁電解電容器、薄膜電容器、MLCC(種類1及種類2)等主要電容器的額定電壓-電容量應對範圍如圖1所示。

圖1:各類電容器的額定電壓-電容量的應對範圍

在電容量較大的產品中,種類2的MLCC達到了電容量為100μF以上的鋁電解電容器所能達到的容值。此外,種類1的MLCC以往只與少部分薄膜電容器的容值範圍相重疊,但近年來,隨著高耐壓化與大容量化的發展,重疊的範圍迅速擴大。

薄膜電容器以及MLCC的特性比較如表1所示。

◎:優秀 ○:良好 △:一般

表1:主要電容器特性比較

鋁電解電容器的特點在於大容量,而其他特性方面,薄膜電容器以及MLCC更為優異。此外,比較薄膜電容器以及種類1的MLCC可發現,薄膜電容器在小型化方面存在難點,而種類1的MLCC則在大容量化以及提高耐電壓方面存在課題。

種類2的MLCC的電容量隨著溫度的變化也會產生大幅變化,而種類1的MLCC基本上保持著直線變化。該直線對於溫度的傾斜度稱為溫度係數,單位為[ppm/°C]。

JIS標準及EIA標準對溫度係數值及其允許差進行了分級。在EIA標準內最為嚴格的C0G特性MLCC(種類1)中,在-55~+125°C的溫度範圍內,溫度係數規定為0ppm/°C,允許差規定為±30ppm/°C。

薄膜電容器與MLCC的溫度特性(溫度變化導致電容量變化)如圖2所示。

圖2:C0G特性MLCC與各類電容器溫度特性(溫度變化導致電容量變化)的比較

從圖表中可以看出,相比X7R特性MLCC(種類2)、U2J特性MLCC(種類1)以及各類薄膜電容器,C0G特性MLCC擁有極為穩定的溫度特性。

將電容器的電容量設為C,線圈電感設為L,則電容器與線圈(電感器)相互組合的LC諧振電路的諧振頻率(f)可以用公式f=1/2π√LC表示。從該公式中可以看出,諧振電容器的電容量變動將會引起諧振頻率的變動。若諧振頻率一致發生變化,則應傳遞的波形將會發生扭曲,從而導致能源傳輸效率降低。

為此,以往在高電壓,且有大電流流經的車載電子設備等諧振電路用途中,會使用相對於溫度變化較為穩定的薄膜電容器。

同時,如上述公式所示,諧振頻率越低,則需要電容量越大的電容器。車載電子設備諧振電路中的諧振頻率設置在數10kHz~數100kHz,因此耐電壓及電容量都很高的薄膜電容器較為適用。

然而,如前所述,由於近年來,種類1的MLCC耐電壓與電容量的發展迅猛,將薄膜電容器替換為C0G特性MLCC的生產商不斷增加。這是因為MLCC相比薄膜電容器體型更小,通過高精度的共振來提高傳送效率,實現節省空間的特點。