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貼片電容的基礎知識及細節

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樓主
ID:104287 發表于 2016-1-31 20:54 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
我們常說的貼片電容,一般指貼片瓷片電容,其材料為高絕緣高介電常數的介質,外形如圖

需要注意的是,瓷片電容焊盤與電容介質之間不是很牢固,有些板子比較薄,PCB上焊了電容后,很容易出現板子變形導致電容焊盤與電容介質斷裂,這種表面上看不出來,實際上已經損壞。還有一些多塊PCB拼版的,分板的時候用手攀,也會導致電容損壞,尤其100nF0402電容,曾出現多次問題。

內部結構,是由多層的電極相互疊起來。


電容常用的封裝為0402、0603、0805三種。
0402目前最大容量1uF,據說也有2.2uF
0603目前最大容量10uF
0805目前最大容量22uF
以上是電容封裝選型必須要知道的,并且在最高容量下,耐壓一般都是很低的,只有6V附近,并且價格比較高,接近于鉭電容,具體參數請參考相關型號的文檔。

電容的容量不是一個常數,而是變化的,它的電容的容量值跟當前溫度、當前的直流電壓有關、還跟用什么類型的介質材料有關。
下圖為X5R與Y5V兩種材料之間的溫度與容量之間的差別,藍色線為X5R,紅色線為Y5V

直流電壓不同,而容量不同,一般的講,直流電壓越高,電容值降低,并且這個跟材料有很大的關系,


電容的頻率特性如下圖,電容等效為電阻電容電感的串聯,因為有導線,就有電阻,有長度,就有電感,有壓差就有電容。高頻下,核心是利用電容的諧振頻率,所以一個電容的諧振點非常重要,這是高頻的基礎。

在高頻下,一般用到電容的三個特征:
1:利用諧振點進行帶通耦合信號:比如33pF電容的諧振點為1256MHz,對應阻抗為0.15,它在900MHz下阻抗為2.61,1800MHz下阻抗為2.87,比如旋風001手機開發模塊,因為是雙頻,要支持900和1800MHz,所以取33pF作為帶通耦合器就非常合適。
2:利用諧振點吸收退藕電源干擾:還是33pF,在旋風001手機開發模塊上,作為電源退藕大量使用,因為手機本身會產生900和1800兩個頻率,分布在各個電源、信號上,需要用33pF把這個信號吸收掉,以免干擾別的設備,尤其是音頻mic部分。
3:匹配:與電感一起實現阻抗匹配,這個時候就不是采用諧振點了,而是利用它的電容或者電感特性,因為超過電容諧振點,電容就變成了電感。

實際意義上講,在高頻下,電容跟電感是相互轉換的,這個完全取決于工作頻點,所以大家不要拘泥于是電容還是電感,只是知道這是一個曲線即可。

電容一般有四種材料
1:C0G  這個材料性能最好,電容穩定可靠,但容量比較小,適合做高頻小容量電容。以0402為例,從0.5pF~1nF
2:X7R  這個材料性能不錯,電容穩定性也可以,但容量中等偏下,適合做高頻中容量電容。以0402為例,從220pF~100nF
3:X5R  這個材料容量可以做大,電容穩定性還可以,適合做大容量電容,適合做大容量電容。以0402為例,從56nF~1uF
3:Y5V  這個材料容量可以做大,電容容量范圍寬,穩定性差,適合做大容量電容。以0402為例,從2.2nF~1uF

以上從性能上講C0G > X7R > X5R> Y5V
本人不建議用Y5V,用萬用表測1uF電容,估計容量只有0.6uF,因為他的電壓、溫度指標太差了,不知道的還以為是假的。C0G大量使用在高頻上,首選推薦,其次是X7R或者X5R。

具體細節,請下載創易提供的murata電容電感參數工具

在嵌入式領域,一般電源退藕都用到0.1uF,也就是100nF,這個的基本原理也是電容的諧振點,比如0805100nF電容的諧振頻率是23MHz,在大部分的MCU頻率范圍內,其實之前提的0.1uF這個概念是不準確的,因為現在電容,不同的封裝,其諧振點都是不同的,所以應該這么選擇:
假如一顆ARM的工作頻率是70MHz,選擇的是0805的電容,那么用電容電感參數工具查,可以找到10nF是它的諧振點,這個時候就應該選擇10nF,而不是100nF,當然不放心,可以兩個都放,多放幾個也可以。

一般的講,開關電源還有LDO輸出都建議用瓷片電容,,瓷片電容的高頻性能非常好,介質損耗也比較低,尤其是它的諧振等效串聯電阻ESR非常小,比如33pF,諧振下等效電阻只有0.15歐姆,這個是電解電容,包括鉭電容所無法比擬的,并且基本上沒有漏電流這一說,還沒有極性。以前瓷片電容容量做不大,所以往往需要一個瓷片電容并聯一個鉭電容,現在瓷片電容容量做的接近小容量的鉭電容,所以很多都直接用瓷片電容代替。并且加上瓷片電容本身電感量特別小,高頻性能好,很多電源退藕,都直接用一個10uF的瓷片電容就搞定了,沒必要再并聯一個100nF之類,因為這個時候,諧振點意義不大了,0805封裝10uF電容在10MHz下的阻抗為0.03歐姆,100MHz下阻抗為0.32歐姆,1000MHz下阻抗為3.2歐姆,從這些數據來看,只要100MHz以下功率不太大的話,都沒必要并聯一個諧振頻點的小電容。

需要注意一點的地方就是很多朋友在布線的時候,比如雙面板,很多人都知道退藕電容要靠近器件,引線盡可能短,但他們往往布線的時候忘記考慮電容的地焊盤的回路,一般我們把PCB的底面作為一層地來參考,所有的正面的地焊盤必須要打過孔到主地上,這一點必須記住,不然地回路太長,這個電容就毫無意義,好東西也會因為設計布線的問題糟蹋了。這個問題,很多很有經驗的PCB工程師都會犯這個錯誤


在RFID應用中,尤其是高頻RFID,13.56MHz的電路輸出部分電路

用到的幾個諧振的電容如C212、C213、C214,一定要選擇大的封裝,最好是0805,其次是0603,不能選擇0402封裝,主要這個電壓比較高,達到了50V,頻率也比較高13.56MHz,電流比較大,達到上百mA。電容畢竟有介質損耗,會發熱,若封裝選擇太小,發熱太高,會導致電容失效,所以一定要選擇合適的封裝。
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