為什么你的4.7uF電容變成0.33uF？

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幾年前，經(jīng)過用瓷片電容的25年多工作之后，我對它們有了新的領(lǐng)悟。那時我正在忙于做一個LED燈泡驅(qū)動器，當(dāng)時我項目中一個RC電路的時間常數(shù)顯然是有問題。
我第一個假設(shè)是：電路板上某個元件值不正確，于是我測量用作一個分壓器的兩只電阻，但它們都沒有問題。我把電容從電路板上拆下來測量，也沒有問題。為了進(jìn)一步確認(rèn)，我測量并裝上了新電阻和新電容，給電路上電，檢查發(fā)現(xiàn)基本運行正常，然后看更換元件是否解決了RC電路時間常數(shù)問題。但答案是否定的。

我是在自然的環(huán)境下測試電路：在外殼內(nèi)，電路處于外殼內(nèi)，模擬了一個屋頂照明燈的“罐子”.有時元件溫度會升到100多攝氏度。雖然我重新測試RC電路的時間很短，一切仍非常燙手。
顯然，我的下一個結(jié)論是：問題在于電容的溫度變化。但是我自己都懷疑這個結(jié)論，因為我用的可是X7R電容，根據(jù)我的記憶，這種電容最高可工作到+125°C,變化也只有±15%.我信任我的記憶力，但是為了保險起見，我重新查看了所使用電容的數(shù)據(jù)表。
背景報告
表1給出了用于不同種類瓷片電容的字母與數(shù)字，以及它們各自的含義。表格描述了Class II和Class III兩種瓷片電容。這里不談太多細(xì)節(jié)，Class I級電容包括常見的COG（NPO）型；這種電容的體積效率不及表格中的兩種電容，但是它在多變環(huán)境條件下要穩(wěn)定得多，而且不會出現(xiàn)壓電效應(yīng)。相反，表格中的電容具有廣泛多變的特性，它們能夠擴(kuò)展并承受所施加的電壓，但有時會產(chǎn)生可聽到的壓電效應(yīng)（蜂鳴聲或振鈴聲）。

在給出的多種電容類型中，據(jù)我的經(jīng)驗，最常用的是X5R、X7R,還有Y5V.我從來沒用過Y5V,因為它們在整個環(huán)境條件區(qū)間內(nèi)，會表現(xiàn)出極大的電容量變化。
當(dāng)電容公司開發(fā)產(chǎn)品時，他們會通過選擇材料的特性，使電容能夠在規(guī)定的溫度區(qū)間（第一個和第二個字母），工作在確定的變化范圍內(nèi)（第三個字母；表1）。我正在使用的是X7R電容，它在-55°C到+125°C之間的變化不超過±15%.所以，要么我是用了一批劣質(zhì)電容，要么我的電路其它部分有問題。
不是所有的X7R電容都一樣
既然我的RC電路時間常數(shù)問題無法用特定溫度變量來解釋，就必須深入研究�？粗�我那支電容的容量與施加電壓的數(shù)據(jù)，我驚奇的發(fā)現(xiàn)，電容隨著設(shè)置條件的變化量是如此之大。我選擇的是一只工作在12V偏壓下的16V電容。數(shù)據(jù)表顯示，我的4.7-μF電容在這些條件下通常是提供1.5μF的容量。現(xiàn)在，就完全能解釋RC電路的問題了。
數(shù)據(jù)表顯示，如果我把電容封裝尺寸從0805增加到1206,在規(guī)定條件下的典型電容量將是3.4μF.這表明有進(jìn)一步研究的必要。
我發(fā)現(xiàn)村田制作所和TDK公司在網(wǎng)站上提供了很好的工具，能夠繪出不同的環(huán)境條件下的電容量變化。我對不同尺寸和額定電壓的4.7μF電容做了一番研究。圖1數(shù)據(jù)是取自村田的工具，針對幾種不同的4.7μF瓷片電容。我同時觀察了X5R和X7R兩種型號，封裝尺寸從0603到1812,額定電壓從6.3到25V dc.首先我注意到，隨著封裝尺寸的增加，隨所施加直流電壓的電容量變化下降，并且幅度很大。

圖一 本圖描繪了所選4.7-μF電容上直流電壓與溫度變化量的關(guān)系，如圖所示，隨著封裝尺寸的增加，電容量隨施加電壓的而大幅度下降。
CAPACITANCE（μF） 電容量 （μF） DC VOLTAGE （V）直流電壓 （V）
第二個有趣的點是，對于某個給定的封裝尺寸和瓷片電容類型，電容的額定電壓似乎一般沒有影響。于是我估計，如將一只額定25V的電容用于12V電壓，則其電容變化量要小于同樣條件下的額定16V電容。看看1206封裝X5R的曲線，顯然額定6.3V元件的性能確實優(yōu)于有較高額定電壓的同類品種。
如果我們檢驗更大范圍的電容，就會發(fā)現(xiàn)這種情況很常見。對于我研究的那些電容樣本集，并沒有展示出普通瓷片電容應(yīng)有的表現(xiàn)。
觀察到的第三個問題是：對于同樣的封裝，X7R電容的溫度敏感度要高于X5R電容。我不知道這是否普遍適用，但是在我的實驗里似乎是這樣。
從圖中可以看出，表2顯示了X7R電容在12V偏壓貨款，電容量的減少量。注意，隨著電容封裝尺寸逐步增加到1210,電容量有著穩(wěn)步的增長，但是超過這個尺寸就沒有多大改變了。


選擇正確的電容
在我的例子中，我為4.7μF的X7R電容選擇了最小的可用封裝，因為尺寸是我項目的一個考慮因素。由于本人的無知，因而假設(shè)了任何一種X7R都與其它X7R有相同的效果；而顯然，情況并非如此。為使我的應(yīng)用得到正確的性能，我必須采用某種更大的封裝。
我真的不想用1210封裝。幸運的是，我可以把所用電阻值增大5x,因而電容量減少到了1μF.
圖2是幾種16V、1μF X7R電容與16V、4.7μF X7R電容的電壓特性圖。0603的1μF電容和0805的4.7μF電容表現(xiàn)相同。0805和1206的1μF電容性能都略好于1210的4.7μF電容。因此，使用0805的1μF電容，我就可以保持電容體積不變，而偏壓下電容只降到額定量的大約85%,而不會到30%.
但我還是困惑。我曾認(rèn)為所有X7R電容都應(yīng)該有著相同的電壓系數(shù)，因為所用的電介質(zhì)是相同的，都是X7R.所以我向一位同事，日本TDK公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師克里斯？伯克特請教，他也是瓷片電容方面的專家。他解釋說很多材料都能滿足“X7R”資格。事實上，任何一種材料，只要能使器件滿足或超過X7R溫度特性（即在-55°C到+125°C范圍內(nèi)，變化在±15%），都可以叫做X7R.伯克特也解釋說，并沒有專門針對X7R電容或任何其他類型瓷片電容的電壓系數(shù)規(guī)范。
這是一個關(guān)鍵的要點，因此我要再重復(fù)一遍。只要一個電容滿足了溫度系數(shù)規(guī)范，不管其電壓系數(shù)多么糟糕，廠商都可以把這個電容叫做X7R電容（或者X5R,或其他任何類型）。這個事實印證了任何一位有經(jīng)驗電器工程師都知道的那句準(zhǔn)則（雙關(guān)語）：去讀數(shù)據(jù)表！
由于廠商越來越傾向于小型元件，所以他們不得不對使用的材料作出妥協(xié)。為了用更小的尺寸獲得所需要的體積效率，他們被迫接受了更糟糕的電壓系數(shù)。當(dāng)然，有信譽(yù)的制造商會盡量減少這種折中的副作用。
結(jié)論是，在使用小封裝瓷片電容的時候（實際在使用任何元件的時候），閱讀數(shù)據(jù)表都極為重要。但很遺憾，通常我們見到的數(shù)據(jù)表都很簡短，幾乎無法為你做決定提供任何需要的信息，所以你必須堅持讓制造商給出更多的信息。
那么被我否定的Y5V電容怎么樣呢？純?yōu)楹猛�，我們來研究一個普通的Y5V電容。我選擇的是一個4.7μF、0603封裝的額定6.3V電容）我不會提制造廠商，因為它的Y5V電容并不劣于任何其他廠商的Y5V電容），并查看它在5V電壓和+ 85° C下的規(guī)格。在5V電壓下，典型的電容量比額定值低92.9%,或為0.33 μF.
這就對了。如果給這個6.3V的電容加5V偏壓，則其電容量要比額定值小14倍。
在0V偏壓+85°C時，電容量會減少68.14%,從4.7μF降至1.5μF.現(xiàn)在，你可能覺得，在5V偏壓下，電容量會從0.33降至0.11μF.幸運的是，兩個效應(yīng)并沒有以這種方式結(jié)合到一起。在這個特例中，室溫條件下加5V偏壓的電容變化要差于+85°C.
明確地說，這個電容在0V偏壓下，電容量會從室溫的4.7μF降到+85°C的1.5μF;而在5V偏壓下，電容量會從室溫的0.33μF增加到+85°C的0.39μF.這個結(jié)果應(yīng)該讓你信服了，真的有必要仔細(xì)查看元件規(guī)格。
著手處理細(xì)節(jié)
這次教訓(xùn)之后，我再也不會向同事或消費者推薦某個X7R或X5R電容了。我會向他們推薦某家供應(yīng)商的某種元件，而我已經(jīng)檢查過該元件的數(shù)據(jù)。我也提醒消費者，在考慮制造的替代供應(yīng)商時，一定要檢查數(shù)據(jù)，不要遭遇我的這種問題。
你可能已經(jīng)察覺到了更大的教訓(xùn)，那就每次都要閱讀數(shù)據(jù)表，無一例外。如果數(shù)據(jù)表上沒有足夠的信息，要向廠商要具體的數(shù)據(jù)。也要記住，瓷片電容的命名X7R、Y5V等跟電壓系數(shù)毫無關(guān)系。工程師們必須檢查了數(shù)據(jù)才能知道（真正地知道）某種電容在該電壓下的性能如何。
最后請記住：當(dāng)我們持續(xù)瘋狂的追求更小尺寸時，它也成為了每天都會遇到的問題。


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