Керамические чип-конденсаторы Yageo как альтернатива танталовым


PDF версия

Введение

Yageo Corporation является одним из ведущих мировых производителей пассивных компонентов, имея предприятия и офисы продаж в Азии, Европе и Америке. Компания занимает первое место в мире по производству чип-резисторов, второе место по объемам производства ферритовых изделий и четвертое место по многослойным керамическим конденсаторам. Yageo является одним из немногих производителей пассивных компонентов, обеспечивающих очень широкий спектр продукции по резисторам, конденсаторам и ферритам.
Компания была основана в 1977 г. в Тайване. За годы своего развития компания поглотила нескольких производителей пассивных компонентов, таких как ASJ и Vitrohm, а также вошла в альянс с Compostar и Chipcera. На сегодняшний день в компании по всему миру работают 9400 человек.

Керамические чип-конденсаторы Yageo как альтернатива танталовым

Абсолютно все современные электронные устройства используют в своих питающих цепях сглаживающие и фильтрующие конденсаторы. До недавнего времени разработчики применяли с этой целью алюминиевые и танталовые конденсаторы. Но современные технологии позволяют заменить танталовые конденсаторы многослойными керамическими.
Все последние годы наблюдается непрерывное увеличение емкости на единицу объема керамических многослойных и танталовых конденсаторов. График на рисунке 1 наглядно иллюстрирует изменение «плотности» многослойных керамических конденсаторов (Multilayer Ceramic Chip Capacitor, MLCC). В результате область применения керамических конденсаторов постепенно расширяется и занимает позиции, ранее принадлежавшие танталовым конденсаторам, которые, в свою очередь, распространяются в области применения электролитических конденсаторов.

Рис. 1. Увеличение емкости на единицу объема MLCC

В настоящее время эти две технологии являются конкурирующими в диапазоне емкостей 0,1–100 мкФ, и многие разработчики, прежде использовавшие танталовые конденсаторы, склоняются к их замене многослойными керамическими. Ярким подтверждением этого является превышение ежегодного объема производства керамических конденсаторов (600 млрд шт.) над объемом выпускаемых танталовых компонентов (25 млрд шт.).
Постоянное совершенствование технологии производства MLCC позволило снизить себестоимость и сделать керамические конденсаторы очень привлекательными по цене.
На рисунке 2 схематически отображено снижение цен на 1 мкФ емкости двух типов керамических и одного танталового конденсаторов. Как видно из рисунка, керамические конденсаторы на основе довольно посредственного диэлектрика Y5V были почти всегда дешевле их танталового аналога, а начиная с 1995 г. и самые востребованные X7R-конденсаторы обошли танталовые по цене.

 

Рис. 2. Снижение цены на 1 мкФ емкости конденсаторов

Сравнение двух типов конденсаторов только по цене является не совсем корректным, поскольку при разработке конкретного изделия необходимо соблюсти баланс между функциональностью, надежностью и ценой конечного изделия. Поэтому рассмотрим подробнее физические свойства конденсаторов.
Таблица 1 дает общий обзор различий между керамическими и танталовыми конденсаторами. Во многих случаях эти критерии позволяют сделать выбор между керамическими и танталовыми конденсаторами. В других случаях для правильного выбора следует анализировать, как влияет частота, температура и напряжение смещения на более фундаментальные свойства — импеданс, ESR и ESL.

 

Таблица 1. Обзор различий между керамическими и танталовыми конденсаторами

Характеристика

Y5V MLCC

X7R MLCC

Та конд.

диапазон емкостей

биполярность

устойчивость к импульсам напряжения

срок службы при Т > 85°C

применение на высоких частотах

напряжение пробоя

SMD-совместимость

надежность

++

++

++

+/-

++

++

++

++

+

++

++

+

++

++

++

++

++

+

+

+

 

Номинальное напряжение

Для танталовых конденсаторов номинальное напряжение близко к напряжению пробоя и потому для надежной работы схемы необходимо выбирать конденсаторы с почти двукратным запасом по напряжению, т.е. если рабочее напряжение в схеме 3,3 В, то конденсатор должен иметь номинальное напряжение порядка 5 В.
В отличие от танталовых конденсаторов, номинальное напряжение у MLCC гораздо меньше, чем их пробивное. Следует заметить, что по стандартам EIA и EIAJ керамические конденсаторы должны проходить длительные испытания на напряжениях, превышающих в два раза их номинальные.
Следовательно, для обеспечения одинаковой надежности схемы при использовании танталовых или керамических конденсаторов номинальное напряжение танталовых компонентов должно быть примерно в два раза выше, чем у керамических. Особенно заметным становится преимущество MLCC в цепях, где возможны выбросы высокого напряжения.

Импеданс

На рисунке 3 представлено сравнение импеданса танталового и керамического конденсаторов емкостью 1 мкФ в зависимости от частоты при комнатной температуре. Как видно из графиков, на частотах выше 100 кГц в поведении конденсаторов появляется существенная разница. Это делает керамические конденсаторы на высоких частотах более предпочтительными для сглаживания пульсаций.

 

Рис. 3. Импеданс как функция частоты для танталового конденсатора (16 В) и Y5V MLCC (16 В) емкостью 1 мкФ

 

Влияние температуры на импеданс

При построении схем следует учитывать также влияние температуры на импеданс конденсатора. На рисунке 4 представлена температурная зависимость импеданса для рассмотренных выше конденсаторов. Из этого графика видно, что на высоких температурах при низкой частоте импеданс керамических конденсаторов Y5V значительно превосходит свои значения в диапазоне комнатных температур, а также импеданс танталового конденсатора. Из-за этого частота, на которой импеданс конденсатора Y5V становится ниже, чем у танталовых конденсаторов тех же емкостей, смещается с 60 до 200 кГц.
Рассмотренные графики показывают, что в диапазоне низких частот танталовые конденсаторы могут оказаться предпочтительнее MLCC. Однако большинство современных приложений, например блоки питания, работают на частотах, значительно превышающих 100 кГц. Это означает, что даже при относительно высокой зависимости импеданса от температуры выбор конденсаторов MLCC по-прежнему оказывается предпочтительнее.

 

Рис. 4. Импеданс как функция частоты и температуры для танталового конденсатора (16 В) и Y5V MLCC (16 В) емкостью 1 мкФ

Для конденсаторов X7R и X5R на низких частотах до 10 кГц зависимость импеданса примерно такая же, как для танталовых. Выше этой частоты импеданс этих MLCC быстро убывает по сравнению с танталовыми компонентами и остается ниже во всем диапазоне частот. С увеличением температуры эта разница сохраняется.

Влияние постоянного напряжения на импеданс

Известной особенностью танталовых конденсаторов является то, что их емкость относительно неизменна при приложении постоянного напряжения. В отличие от тантала, емкость керамических конденсаторов падает при росте постоянного напряжения. Это явление называется смещением по постоянному току и может представлять определенную проблему для инженеров.
Величина падения емкости зависит как от силы приложенного поля, так и от диэлектрического материала. В связи с этим поведение конденсаторов типов X7R и Y5V различается. Для X7R этот эффект ограничен. При приложении напряжения в 16 В эти конденсаторы потеряют до 20% своей емкости. При таком же напряжении конденсаторы типа Y5V потеряют около 80%. На рисунке 5 показано влияние смещения по постоянному току на импеданс конденсаторов. Несмотря на большую зависимость импеданса от напряжения смещения, на частотах выше 100 кГц керамические конденсаторы снова оказываются предпочтительнее танталовых.

 

Рис. 5. Импеданс как функция частоты и постоянного напряжения для танталового конденсатора (16 В) и Y5V MLCC (16 В) емкостью 1 мкФ

 

Эффективная емкость

Танталовые конденсаторы обладают относительно плоской температурной характеристикой. У MLCC зависимость емкости от температуры меняется в зависимости от типа диэлектрика. Максимальные изменения емкости свойственны конденсаторам с диэлектриком Y5V. MLCC с диэлектриками X5R и X7R по своим характеристикам сопоставимы с танталовыми конденсаторами.
Наряду с изменением емкости с температурой и напряжением смещения следует учесть изменение емкости с частотой. Танталовые и керамические конденсаторы ведут себя по-разному с ростом частоты. На рисунках 6 и 7 иллюстрируется общая тенденция изменения емкости. Из рисунка 6 видно, что емкость конденсаторов с диэлектриком типа X7R относительно постоянна с изменением частоты. Рисунок 7 показывает, что емкость конденсаторов Y5V растет с повышением частоты. Оба графика демонстрируют, что емкость танталовых конденсаторов падает довольно сильно на высокой частоте. Для танталовых конденсаторов эффект уменьшения емкости с ростом частоты зависит от типа конденсатора. В общем случае конденсаторы с более низким номинальным напряжением начинают терять емкость на более низких частотах: 4-В танталовый конденсатор, например, теряет около 80% своей емкости на частоте 500 кГц, в то время как 16-В — около 50% на 500 кГц.

 

Рис. 6. Емкость как функция частоты для тант алового конденсатора (16 В) и X7R MLCC (16 В)

Рис. 7. Емкость как функция частоты для танталового конденсатора (16 В) и Y5V MLCC (16 В)

 

Эквивалентное последовательное сопротивление

На рисунке 8 представлены графики зависимости эквивалентного последовательного сопротивления ESR (Equivalent Series Resistance) керамического и танталового конденсаторов емкостью 10 мкФ как функция от частоты. ESR также зависит и от температуры, но эта зависимость намного меньше.

 

Рис. 8. ESR как функция частоты для танталового конденсатора и Y5V MLCC емкостью 10 мкФ

 

Из-за различий в конструкции этих компонентов значения ESR для MLCC и танталовых конденсаторов значительно отличаются. На практике это означает, что для танталовых конденсаторов минимальная частота, при которой импеданс определяется ESR, значительно ниже, чем у MLCC. Если требуется танталовый конденсатор с низким значением ESR, то для этого придется выбрать более высокое номинальное напряжение или увеличить емкость, что сопряжено с увеличением размеров корпуса.

Эквивалентная последовательная индуктивность

Эквивалентная последовательная индуктивность (Equivalent Series Inductance, ESL) конденсатора обусловлена преимущественно собственной индуктивностью обкладок и выводов компонента. Результатом этой распределенной паразитной индуктивности является превращение конденсатора в колебательный контур. Для обоих типов конденсаторов индуктивность составляет порядка 1–3 нГн, но внутренние конструктивные особенности MLCC предоставляют больше возможностей для миниатюризации и, следовательно, снижения ESL.

Исследование поведения керамических и танталовых конденсаторов

После сравнения физических свойств керамических и танталовых конденсаторов посмотрим, как они справляются со сглаживанием и подавлением шумов в схемах. Поскольку кроме электрических параметров схемы также важна стоимость инженерного решения, будем рассматривать не только работу конденсаторов, но и их стоимость.  

Сглаживание

Сглаживание является одной из важных областей применения, в которых керамические и танталовые конденсаторы часто конкурируют. Одной из наиболее распространенных областей, где применяются сглаживающие свойства конденсаторов, являются импульсные источники питания с очень широким спектром выходной мощности и пульсаций тока. Такие ограничения при разработке как максимальная рабочая температура, емкость и необходимые высокочастотные свойства современного источника питания часто делают выбор типа конденсаторов безальтернативным. В тех областях, где выбор неочевиден, целесообразно сравнивать соотношение цена/качество.
Для этого сравнения воспользуемся spice-моделью цепи, которая состоит из двухполупериодного выпрямительного моста с подключенным синусоидальным напряжением. Выпрямленное напряжение сглаживается керамическим или танталовым конденсатором. Схема нагружается резистором на 100. Конденсатор задается RLC-моделью со значениями, подобранными в зависимости от частоты, температуры и напряжения смещения. На рисунке 9 приведены графики зависимости индекса цены от показателя сглаживания. За единицы условных индексов приняты характеристики, полученные при использовании танталового конденсатора емкостью 1 мкФ. Хорошая работа конденсатора соответствует низкому значению индекса сглаживания.
Из рисунка 9 можно сделать вывод, что во всем диапазоне значений индекса сглаживания можно подобрать более дешевое решение на основе керамических конденсаторов, используя диэлектрики либо Y5V, либо X7R.

 

Рис. 9. Экономическая эффективность сглаживания схемы при 40°С, 100 кГц, 5 В постоянного напряжения

При увеличении температуры до 60°C результаты мало чем отличаются от предыдущих. Основным отличием является то, что конденсаторы Y5V MLCC являются менее конкурентоспособными в результате снижения эффективной емкости.
На рисунке 10 показаны графики при дальнейшем увеличении температуры и частоты. Конденсаторы Y5V на графике не представлены, т.к. они уже неконкурентоспособны при таких высоких температурах. Из графика можно сделать вывод, что на частоте 1 МГц конкурентные преимущества X7R-конденсаторов MLCC предпочтительнее, что связано с уменьшением эффективной емкости танталовых конденсаторов и высоким ESR.

 

Рис. 10. Экономическая эффективность сглаживания схемы при 85°С, 1 МГц, 5 В постоянного напряжения

Представленные результаты были получены при постоянном напряжении 5 В. При снижении напряжения до 3 или 1,5 В производительность танталовых конденсаторов остается неизменной, а MLCC — улучшается. В связи с этим следует заметить, что производительность Y5V MLCC повышается в большей мере, т.к. он более чувствителен к DC-смещению. В результате Y5V-конденсаторы становятся более эффективным при меньших напряжениях.

Развязка

При работе большинства цифровых устройств возникают большие броски тока по питанию, обусловленные сменами логических состояний микросхем. Это явление обычно проявляется как высокочастотный шум. Применение развязывающих конденсаторов позволяет распределить рабочий ток между потребителями и частично устранить эту проблему.
Для оценки поведения конденсаторов в этом отношении были исследованы керамические конденсаторы емкостью 0,1–10 мкФ и танталовые емкостью 1–100 мкФ в частотном диапазоне 100 кГц…1 МГц. В начальных тестах конденсаторы были подвергнуты воздействию 100-кГц меандра, а в ходе последующих испытаний они подвергались воздействию синусоидального сигнала частотой до 1 МГц. Результаты исследования представлены на рисунках 11 и 12.

 

Рис. 11. Экономическая эффективность развязывающих конденсаторов при 40°С, 100 кГц, 5 В постоянного напряжения
Рис. 12. Экономическая эффективность развязывающих конденсаторов при 40°С, 1 МГц, 5 В постоянного напряжения

Из рисунка 11 видно, что при 100 кГц керамический конденсатор емкостью 1 мкФ является более целесообразным решением, чем 1-мкФ танталовый. Танталовые конденсаторы больших емкостей оказываются вне конкуренции по эффективности, однако у них большие корпуса и высокая цена, поэтому разработчику рекомендуется использовать более одного MLCC-конденсатора взамен больших танталовых компонентов.
Из рисунка 12 видно, что на 1 МГц конденсатор X7R MLCC на 1 мкФ является лучшим решением, даже чем танталовый конденсатор емкостью 10 мкФ. Кроме того, экономическая эффективность Y5V-конденсатора также повысилась. Оба преимущества были достигнуты за счет сокращения потребности в эффективной емкости на этой частоте и относительно низкого значения ESR. Отметим также, что несмотря на высокую номинальную емкость (до 100 мкФ) танталовых конденсаторов, они не обеспечивают оптимальной производительности.

Заключение

В статье была рассмотрена возможность использования керамических многослойных конденсаторов Yageo вместо традиционных танталовых конденсаторов. Сравнение основных физических параметров и поведения этих компонентов в электрических цепях говорит о том, что в большинстве случаев разработчик может смело заменять танталовые конденсаторы керамическими, улучшая электрические параметры схемы и снижая стоимость изделия.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *