解决指南

Vol.1 C0G特性及高耐压MLCC的特点与替换解决方案

Vol.1 C0G特性及高耐压MLCC的特点与替换解决方案 概要

电子设备中拥有各类电容器,并分别发挥着其各自的特性。一般情况下,电容器的电容量与耐电压(而定电压)无法兼顾,且属于此消彼长的关系,在相同尺寸下,耐电压提高,则电容量会出现下降趋势。
薄膜电容器拥有高耐电压,且具备恰到好处的电容量,同时,由于频率特性及温度特性优异,因此多用于车载电子设备、产业设备及家电设备等产品中。
但近年来,用于温度补偿(种类1)的MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器)中,耐电压与电容量也出现了明显扩大,尤其在谐振电路等用途中,以往一般使用薄膜电容器的领域中也逐渐被MLCC所取代。
TDK开发的C0G特性·高耐压MLCC是一款在行业最高等级的广电容量范围(1nF~33nF)内实现了1000V耐电压的产品。
以下将通过C0G特性·高耐压MLCC的特点与薄膜电容器进行比较,并就各种替换的优点进行说明。

目录
主要电容器特性

通过电介质陶瓷材料的不同,MLCC大致可分为种类1(温度补偿用)与种类2(高介电常数类)。
种类2的MLCC拥有大容量特点,但也存在因温度的变化导致电容量变化率大的缺点。另一方面,种类1的MLCC虽然无法达到高介电常数类产品的大容量,但由于温度变化导致的电容量变化率较小,且由于频率特性优异,因此被用于对精度要求较高的电路等。

铝电解电容器、薄膜电容器、MLCC(种类1及种类2)等主要电容器的额定电压-电容量应对范围如图1所示。

图1:各类电容器的额定电压-电容量的应对范围

图1 各类电容器的额定电压-电容量的应对范围

在电容量较大的产品中,种类2的MLCC达到了电容量为100μF以上的铝电解电容器所能达到的容值。此外,种类1的MLCC以往只与少部分薄膜电容器的容值范围相重叠,但近年来,随着高耐压化与大容量化的发展,重叠的范围迅速扩大。
薄膜电容器以及MLCC的特性比较如表1所示。

表1:主要电容器特性比较

薄膜
电容器
MLCC
(种类1)
MLCC
(种类2)
高容量
耐电压
温度特性
频率特性
ESL特性
DC 偏压特性
耐湿性
寿命及可靠性
小型化

:优秀 :良好 :一般

铝电解电容器的特点在于大容量,而其他特性方面,薄膜电容器以及MLCC更为优异。此外,比较薄膜电容器以及种类1的MLCC可发现,薄膜电容器在小型化方面存在难点,而种类1的MLCC则在大容量化以及提高耐电压方面存在课题。

种类2的MLCC的电容量随着温度的变化也会产生大幅变化,而种类1的MLCC基本上保持着直线变化。该直线对于温度的倾斜度称为温度系数,单位为[ppm/°C]。
JIS标准及EIA标准对温度系数值及其允许差进行了分级。在EIA标准内最为严格的C0G特性MLCC(种类1)中,在-55~+125°C的温度范围内,温度系数规定为0ppm/°C,允许差规定为±30ppm/°C。
薄膜电容器与MLCC的温度特性(温度变化导致电容量变化)如图2所示。

图2:C0G特性MLCC与各类电容器温度特性(温度变化导致电容量变化)的比较

图2  C0G特性MLCC与各类电容器温度特性(温度变化导致电容量变化)的比较

从图表中可以看出,相比X7R特性MLCC(种类2)、U2J特性MLCC(种类1)以及各类薄膜电容器,C0G特性MLCC拥有极为稳定的温度特性。

在谐振电路中使用C0G特性MLCC的理由

将电容器的电容量设为C,线圈电感设为L,则电容器与线圈(电感器)相互组合的LC谐振电路的谐振频率(f)可以用公式f=1/2π√LC表示。从该公式中可以看出,谐振电容器的电容量变动将会引起谐振频率的变动。若谐振频率一致发生变化,则应传递的波形将会发生扭曲,从而导致能源传输效率降低。
为此,以往在高电压,且有大电流流经的车载电子设备等谐振电路用途中,会使用相对于温度变化较为稳定的薄膜电容器。
同时,如上述公式所示,谐振频率越低,则需要电容量越大的电容器。车载电子设备谐振电路中的谐振频率设置在数10kHz~数100kHz,因此耐电压及电容量都很高的薄膜电容器较为适用。
然而,如前所述,由于近年来,种类1的MLCC耐电压与电容量的发展迅猛,将薄膜电容器替换为C0G特性MLCC的生产商不断增加。这是因为MLCC相比薄膜电容器体型更小,通过高精度的共振来提高传送效率,实现节省空间的特点。

《特点》

  • 更高的使用温度范围上限
    C0G特性的使用温度范围上限较高,达到+125°C,适合用于发动机舱内的车载电子设备等。此外还具备可应对+150°C的NP0特性,也可用在直接搭载在发动机的ECU(电子控制单元)等场合中。
  • 优秀的耐湿性能
    具备85℃/85%RH的耐湿性能。
  • 符合AEC-Q200
    产品符合车载用电子元件的可靠性试验及认定标准试验的世界标准AEC-Q200。
  • 小型、轻量、SMD型
    可在基板上进行表面贴装的小型轻量SMD芯片元件。可实现大幅节省空间的效果。
    虽然与薄膜电容器相比拥有诸多优点,但MLCC存在如下特有弱点,因此需要在替换时注意。

《替换为MLCC的注意》

  • 基板弯曲裂纹等问题
    因基板弯曲等导致的应力会导致焊锡开裂,最坏的情况下,电容器本体体会出现开裂,从而出现短路等不良。
  • 印刷电路板的绝缘距离(沿面距离)问题
    由于是SMD型小型元器件,因此在印刷电路板表面贴装的焊盘图案间隔较窄,施加高电压后,根据使用条件与环境不同,可能会出现绝缘耐压不充分的情况。
采用导线端子型产品的解决方案

前述在替换为MLCC时的注意点可通过采用导线端子型MLCC(积层带导线陶瓷电容器)进行解决。这是一种径向引线型电容器,其在MLCC的外部电极上通过焊锡接合2条导线后再涂布树脂涂层。
通过替换为导线端子形产品,除了获得MLCC独有的特性之外,还可以有效解决这些问题。

《替换为导线端子型的解决方案》

  • 导线吸收并缓和基板弯曲压力。
  • 通过使其变为导线端子型,可扩大配线图案间隔,从而确保绝缘耐压。

关于导线端子型MLCC,在
解决指南
“积层带导线陶瓷电容器的各类解决方案指南”

中进行了详细说明,敬请参照。

图3:从SMD型产品替换为导线端子型(积层带导线陶瓷电容器)的解决方案

图3:从SMD型产品替换为导线端子型(积层带导线陶瓷电容器)的解决方案
车载等级MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器)CGA系列 C0G特性/NP0特性

TDK提供车载等级及CGA系列的中耐压MLCC(额定电压100~630V)、高耐压MLCC(额定电压1000V以上)等各类MLCC。其中,额定电压为1000V、温度特性为C0G特性/NP0特性、电容量为1nF~33nF的产品拥有以下类型。除了磁共振式无线充电共振电容器之外,在时间常数电路、滤波器电路、振荡电路等在有高精度的要求时,需要实现小型化和SMT化的情况下可以用于替换薄膜电容。同时,为了进一步提高可靠性,对于基板弯曲导致的元件体开裂、热冲击导致的焊锡开裂以及振动等外部环境因素具有较强耐受性的金属支架电容及树脂电极品系列也一应俱全。
EV及自动驾驶等新一代汽车的发展关键在于对电池进行高效充电的无线充电技术。在磁共振式无线充电中,谐振电容器的特性与电力传输效率息息相关。实现耐电压1000V的TDK的C0G特性·高耐压MLCC是作为EV无线充电中的谐振电容器,具备最佳特性的温度补偿用(种类1)MLCC。同时,由于ESR极低,这也是C0G特性·高耐压MLCC所不可忽视的重要因素。TDK将通过扩大耐电压及电容量范围等方式,进一步丰富产品线。

系列 外形尺寸(L×W) 温度特性 额定电压 电容量
CGA6CGA6 3.2×2.5mm
(EIA 1210)
C0G* 1000V 1nF~22nF
CGA6CGA9 5.7×5.0mm
(EIA 2220)
C0G、
NP0**
1000V 10nF~33nF

* C0G:–55~+125°C中温度系数在0±30ppm/°C以内
** NP0:–55~+150°C中温度系数在0±30ppm/°C以内