村田扩展100μF以上多陶瓷电容器产品阵容

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我们日常所用的数码设备,大多数都是使用通过AC适配器生成的直流电压作为输入电压,然后通过电源IC来升降电压。在使用耗电量较高的半导体时,会特别用到100μF以上的平滑用电容器。此外,随着半导体的低电压化和高速化,为了保持其工作稳定性,就需要用到低阻抗型的平滑电容器。因此,村田制作所(以下简称“村田”)又进一步扩充了100μF以上的大容量多层陶瓷电容器产品阵容。


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图1.100μF多层陶瓷电容器(例:3.2x2.5mm尺寸:330μF)


    电容器根据其基本结构、材料的不同,大致分为图2中的几种。从图中我们可以看到多层陶瓷电容器虽然在静电容量的温度依赖性,施加电压导致有效容量下降(DC偏压特性)方面略有不足,但其小型化、高可靠性、高价格竞争力、低阻抗/低ESR*1/低ESL*2等优势十分显著。因此在如今小型、大容量的电容器领域,多层陶瓷电容器已经成为主流。但超过100μF的大容量平滑用电容器,必须具备低阻抗,这些产品目前的主流却是导电性聚合物电解电容器。

    *1.ESR(Equivalent Series Resistance 等效串联电阻):电容器阻抗的实际成分。
    *2.ESL(Equivalent Series Inductor 等效串联电感):电容器带有的微小电感成分,谐振频率以上的频率领域的阻抗由ESL支配。
 

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图2.多层陶瓷电容器的优势/劣势(出处:村田制作所)


    如今,支持多层陶瓷电容器大容量化的技术正在不断革新,村田电子已经能保证1μm以下介质层的高精度叠加1000层以上的稳定量产生产技术及薄层化技术,此外,100μF以上的多层陶瓷电容器也正在量产中。


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图3.100μF以上陶瓷电容器(3.2x2.5mm尺寸/330μF)的内部结构图


    由于近几年数码设备使用的半导体不断低电压化,由DC偏压特性引起的容量下降的情况也在不断减少,因此数码设备也开始使用100μF以上的多层陶瓷电容器作为平滑用电容器。


    目前,2.0x1.25mm/X5R/4V/100μF、3.2x1.6mm/X5R/6.3V/100μF、3.2x1.6mm/X5R/4V/220μF这三种规格的产品已经商品化。此外,多个项目的100μF以上的多层陶瓷电容器(最大容量:300μF)也已实现商品化。
 

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图4.100μF以上多层陶瓷电容器的产品阵容(2015年8月)


    在村田最新的产品阵容中,既有用于一般消费类市场的X5R型(工作温度范围:-55~85℃)产品,又有面向耗电量大、设备内部温度高的应用的X6*型(工作温度范围:-55~105℃),此外更大容量产品的开发也在计划中。


    目前,为了确保数码设备使用的低电压及高速运转的半导体电源线的稳定性,需要控制由纹波电压及负载变动引起的电压变动。作为平滑用电容器,必须要达到100μF以上容量及低阻抗,此前市场的解决方案主要是使用导电性聚合物电解电容器。村田这次扩充了100μF以上的多层陶瓷电容器产品阵容,可以取代导电性聚合物电解电容器。


    虽然多层陶瓷电容器的容量比导电性聚合物电解电容器要低,但仍然具有很强的可替代性。这是因为多层陶瓷电容器的阻抗及ESR很低,应对电压变化反应良好。图5是代表性的导电性聚合物钽电解电容器和多层陶瓷电容器的阻抗,ESR-频率特性。数码设备使用的电源IC开关频率在100kHz以上,从图中可以看出,相对于导电性聚合物钽电解电容器,多层陶瓷点容易不仅和它具有相同容量,而且容量比它低的产品,阻抗和ESR也很低。


    此外,在谐振频率为高频时,与导电性聚合物钽电解电容器相比,多层陶瓷电容器的阻抗非常低,对高频静噪非常有用。

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图5.阻抗/ESR-频率特性比较


    村田使用PC上DDR用电源IC的评估基板进行了替换评估,评估电路及评估结果如图6所示。评估基板使用1.4V直流电压,初始状态下在2处使导电性聚合物钽电解电容器(7.3x4.3mm尺寸/2.0V/330μF/M偏差)作为平滑用电容器。然后,使用150μF及200μF(3.2x1.6mm尺寸/6.3V/M偏差)的多层陶瓷电容器替换导电性聚合物钽电解电容器,对纹波电压/尖峰电压、负载变化时的电压变化进行评估。本次评估已事先调整相位,确保了评估基板的稳定性。

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图6.导电性聚合物钽电解电容器替换评估结果


    从图中可以看出,使用多层陶瓷电容器时,虽然其标称容量值比导电性聚合物钽电解电容器低,但的确能改善纹波电压。这是因为开关频率处的多层陶瓷电容器阻抗及ESR很低,控制了由开关频率产生的电压变动,改善了纹波电压。此外,对于尖峰电压同样有改善作用。这是由于多层陶瓷电容器的ESL很低,控制了高频噪声,改善了尖峰电压。


    但是,在电流变化很大的负载变动测试中,使用150μF多层陶瓷电容器时,电压变动结果并不理想。这与负载变动测试对电容器施加电压时的有效容量有关。测试所用的多层陶瓷电容器的标称容量值比导电性聚合物钽电解电容器低,DC偏压特性导致有效容量值更低,因此测试结果不理想。但是,用了容量较大的220μF产品,就能改善负载变动测试的评估结果。


    由于低电压驱动的半导体十分普及,作为提供直流电源的电源IC的平滑用电容器,一般会使用具备大容量、低ESR特性的导电性聚合物电解电容器,但随着使用此类产品的服务器等设备对小型化、长期可靠性等性能越发重视,对平滑用电容器也产生了同样的要求。村田十分看重具备小型化、高可靠性,且有更低阻抗/低ESR/低ESL特性的100μF以上的多层陶瓷电容器的发展。如今市场交易很活跃,相信村田今后产品阵容的扩大将有助于电子设备市场的发展。

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