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叠层陶瓷电容器 进一步大容量化

时间:2017-12-29 来源:

在构建DC/DC转换器时,输入及输出电容器与电感是与DC/DC转换器用IC一样重要的元器件。近年来,对于DC/DC转换器,除了高效率外,还有低电压大电流输出、高速负载瞬态响应、低噪声等多种要求。与此相对应的是,与DC/DC转换器用IC日益改良一样,电容器与电感也在不断发展。在构建DC/DC转换器时,电容器与电感的开发情况如何,关键特点是什么,就此我们采访了日本国内代表性的供应商之一太阳诱电株式会社新事业推进本部的石原先生。

-在开关电源设计中,我想大家都已经认识到与电源用IC的选型一样,外置元器件的选型也很重要这一事实。此次有幸获得宝贵机会,请您详细介绍一下作为元器件制造商的考量与相关信息。关于电容器与电感的话题,我们先从电容器开始。

近年来,从电源IC的应用电路例来看,推荐称为“MLCC(Multilayer Ceramic Chip Capacitor)”的叠层陶瓷电容器的越来越多。我想这是因为该产品在诸多方面具备优势,能否请您先讲一些基本的信息。

的确,开关电源对叠层陶瓷电容器的需求日益增加。主要原因是其可实现适合于表面贴装的形状,在特性方面也适用于开关电源,因此作为以往电解电容器替代品的需求日益高涨。那么,首先简单介绍一下叠层陶瓷电容器的结构。

如图所示,涂有粉状陶瓷材料的片状电介质与电极组成重叠交替的结构。为使大家进一步了解结构与静电电容的关系,使用以下公式来说明。

 

 

从公式中可以看出,真空介电常数ε0×相对介电常数εr越高,叠层数n越多,面积S越广,1层电介质的厚度越薄,叠层陶瓷电容器的静电电容越高。简单而言,通过增加高度与面积,即可增加静电电容,但所需求的是“相对所需静电电容,体积尽可能的小”。这就需要使每层电介质越来越薄,使介电常数提高,增加叠层数,从而需要高超的材料技术与制造技术。

-当谈及叠层陶瓷电容器,印象里其并未能发展到较大容量,那么当前的发展情况如何呢?

当然是从小容值产品起步的,不过目前我们公司已经能够供应470µF的产品。此外,相同容值的产品也实现了进一步小型化。这张图是我们公司的产品路线图,比较方便大家了解静电电容、尺寸、耐压的关系。

 

 

在使用IC的DC/DC转换器中,输出电容器从数十µF到数百µF不等,覆盖面已经相当广。我想大家知道,静电电容、尺寸、耐压存在全部相反的关系。针对前述的“每层更薄,介电常数更高,叠层更多”课题,目前正在不断开发。

-如果说此类电容器的容量已经覆盖了这个范围,那么我觉得可以与比如聚合物类贴片电容器等相提并论了,有什么区别吗?

的确如此。理解聚合物类即导电性高分子电容器与MLCC(叠层陶瓷电容器)的区别,在设计DC/DC转换器方面非常重要。

接下来我从结构与材料的区别开始介绍。如图所示,在结构方面,叠层陶瓷电容器是名副其实的叠层,而导电性高分子电容器的元件则以钽或铝等为电介质,阴极使用导电性高分子与二氧化锰。使用二氧化锰的是钽电解电容器,由于各种原因近年来已经不怎么使用了,由于是比较基础的产品而在此列入比较。材料因种类而异,具体请看下表。

钽电解电容器存在电介质的膜厚度较薄而可实现大容值,但阴极使用二氧化锰而等效串联电阻ESR较高的课题。但是,使用二氧化锰,具有即使较薄的电介质被膜破损也可自我修复的优点。但是,由于降低ESR是重要的市场需求,使阴极使用导电性高分子的电容器越来越受到重视。ESR与电极的电导率息息相关。从表中可见,钽电解电容的电导率为0.1S/cm,而使用聚吡咯的电容则高达100S/cm,电导率显著改善。关于自我修复,导电性高分子无法自我修复,破损部分可自我隔离而继续工作。

 

 

 

 

相对于此,叠层陶瓷电容器因电极材料而可使电导率非常小,因叠层结构而可使ESR非常小,从而可实现较高的相对介电常数,进而朝更大容值/小型化方向发展。此外,因其电介质被膜较厚,而具有比其他产品电场强度大、寿命长的优点。关于这一点,看表中的数值即可一目了然。

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