Rozważania o odchyleniu prądu stałego i temperaturowego współczynnika pojemności X7R w porównaniu z X7S

Najpopularniejsze wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) na rynku przemysłowym i motoryzacyjnym charakteryzują się współczynnikiem TCC (temperaturowym współczynnikiem pojemności) powszechnie określanym jako X7R, gdzie „X” oznacza -55°C, „7” oznacza +125°C, natomiast „R” oznacza ±15% tolerancji w tym zakresie temperatur.

Ze względu na węższy zakres tolerancji zmiany pojemności wynoszący ±15%, wielu projektantów po prostu wybierze kondensator X7R zamiast X7S. Jednak przy wyborze kondensatorów MLCC ważne jest, aby wziąć pod uwagę nie tylko współczynnik TCC, ale także odchylenie prądu stałego, czyli zmianę pojemności przy przyłożonym napięciu prądu stałego. Samsung Electro-Mechanics Co (SEMCO) koncentruje się na rozwiązaniach MLCC, które zapewniają wysoką wydajność zarówno w zakresie parametrów współczynnika TCC, jak i odchylenia prądu stałego. Chociaż niektóre produkty X7R oferują lepsze odchylenie prądu stałego niż X7S, prawdą jest również to, że niektóre kondensatory MLCC X7S oferują wyraźną przewagę.

Dlaczego więc kondensatorów MLCC X7S nie wybiera więcej firm? Wydaje się, że odpowiedzią jest po prostu brak wiedzy.

W nowoczesnej elektronice motoryzacyjnej i przemysłowej powszechnymi trendami są wyższa integracja i rosnąca funkcjonalność, które wymagają coraz większej pojemności. W tym przypadku kondensator MLCC oferujący współczynnik TCC o charakterystyce X7S może zapewnić wyższą efektywną pojemność niż kondensator MLCC, który ma współczynnik TCC z atrybutami X7R (przy tej samej nominalnej pojemności znamionowej), ponieważ współczynnik TCC jest tylko jednym z czynników wpływających na pojemność. Kolejnym czynnikiem mającym istotny wpływ jest odchylenie prądu stałego.

Odchylenie prądu stałego to zmiana pojemności po przyłożeniu napięcia DC na zaciskach. Kondensatory MLCC muszą radzić sobie z polaryzacją napięcia stałego i dlatego są również podatne na to zjawisko. Wartość pojemności spada wraz ze wzrostem napięcia prądu stałego, co może mieć negatywny wpływ na wiele typów obwodów.

Wyzwanie związane z rozwojem

Istnieje wiele sposobów, dzięki którym producenci OEM mogą tworzyć kondensatory MLCC o wyższych wartościach pojemności, z których większość zazwyczaj wiąże się z udoskonaleniem materiałów ceramicznych. Na przykład mniejszy rozmiar ziarna pozwala na cieńsze warstwy, podczas gdy dodatkowa obróbka ziarna może poprawić jednorodność i niezawodność. Ponadto lepsze domieszkowanie materiału może zwiększyć względną stałą dielektryczną (ε_r). Wszystkie te czynniki mogą prowadzić do wyższych wartości pojemności, z godnymi uwagi wynikami, które obejmują 10µF/50V dla rozmiaru zespołu 1206. Każdy projektant poszukujący rozwiązania o dużej gęstości i wysokiej wydajności w kompaktowej obudowie może skorzystać z tego kondensatora MLCC. Zyski będą widoczne w zastosowaniach wymagających wysokiej precyzji elektrycznej, stabilności i niezawodności, między innymi w obwodach obejściowych zasilania, elektronice użytkowej i urządzeniach telekomunikacyjnych.

Wchodząc głębiej w to zagadnienie możemy stwierdzić, że względna stała dielektryczna (czasami znana jako względna przenikalność elektryczna) jest miarą ilości elektrycznej energii potencjalnej, w postaci indukowanej polaryzacji, przechowywanej w danej objętości materiału pod działaniem pola elektrycznego. Jednak przy zwiększaniu względnej przenikalności elektrycznej materiału ceramicznego występuje szczególny efekt uboczny: użytkownicy mogą spodziewać się większej zmiany względnej przenikalności elektrycznej przy zmieniających się warunkach pracy, a mianowicie przy przyłożonym napięciu prądu stałego, współczynniku TCC i czasie. Mówiąc prościej, zapewnienie stabilności pojemności zależy od osiągnięcia dobrej równowagi właściwości kondensatora MLCC, które mogą zapewnić najlepszą wydajność w tych warunkach użytkowania.

Strata pojemności

Wszystkie konstrukcje MLCC klasy II (w tym X7R i X7S) różnią się wartością pojemności w zależności od przyłożonego napięcia prądu stałego (odchylenia prądu stałego), współczynnika TCC i czasu (starzenia). To ostatnie, na przykład, występuje, gdy ziarna ceramiczne tracą zdolność do reorientacji w czasie, głównie ze względu na potrzebę obszarów do znalezienia bardziej stabilnych stanów pod względem energetycznym. Ta stabilizacja obszarów prowadzi do spadku względnej przenikalności elektrycznej, co przekłada się bezpośrednio na utratę pojemności.

Oczywiście większość projektantów już wie, że odchylenie prądu stałego znacznie zmniejsza efektywną pojemność MLCC klasy II. Należy wyjaśnić, że zarówno X7S, jak i X7R są materiałami ceramicznymi „stabilnymi temperaturowo”, które należą do materiałów klasy II EIA. Wraz ze współczynnikiem TCC i starzeniem się, te trzy czynniki zależą od siebie nawzajem, dzięki czemu poprawa jednego z nich będzie miała wpływ na jeden czynnik lub oba pozostałe czynniki. Panuje powszechna zgoda co do tego, że jednoczesne zwiększenie zarówno współczynnika TCC, jak i odchylenia prądu stałego będzie możliwe tylko wtedy, gdy w przyszłości nastąpi poprawa całego systemu proszków ceramicznych.

X7S: lepsze odchylenie prądu stałego

Mamy jednak dobre wieści, ponieważ firma SEMCO ujawniła, że jej obecne kondensatory MLCC X7S mogą oferować lepsze odchylenie prądu stałego niż ich odpowiedniki X7R. Aby to zademonstrować, firma przeprowadziła serię pomiarów określających charakterystykę parametrów odchylenia prądu stałego kondensatora MLCC X7S firmy SEMCO i urządzenia X7R innego producenta. W zakresie specyfikacji, oba były kondensatorami MLCC 1µF 10% 6,3 V z rozmiarem zespołu/obudowy 0402.

Pomiary wykazały, że kondensator X7S firmy SEMCO wykazał szybkość zmiany pojemności na poziomie około -30,7% przy napięciu 4 V. Dla porównania, kondensator MLCC X7R innych dostawców wykazał znacznie większą zmianę pojemności wynoszącą około -50,6% przy napięciu 4 V. Jak już wspomniano, poprawa odchylenia prądu stałego ma pewien wpływ na współczynnik TCC. Przy napięciu 4 V i temperaturze 85°C, kondensator MLCC X7S firmy SEMCO odnotował zmianę pojemności na poziomie -6% w porównaniu do +6% (przy 4 V, 85°C) w przypadku kondensatora MLCC innego producenta.

Jak pokazuje wykres, kondensator MLCC X7S 1µF firmy SEMCO pozostaje lepszym rozwiązaniem, nadal zapewniając pojemność 0,59µF przy napięciu 4 V i temperaturze 85°C, w porównaniu do zaledwie 0,52µF w przypadku X7R.

Niska świadomość rynku

Rynek jest bardzo dobrze zaznajomiony z zakresem tolerancji X7R wynoszącym ±15%, co utrudnia wyparcie go jako preferowanej technologii bez dogłębnego przeanalizowania specyfiki kondensatora MLCC. Jednakże, jak pokazały powyższe pomiary, gdy weźmie się pod uwagę rzeczywiste warunki pracy — porównując współczynnik TCC i odchylenie prądu stałego — kondensator MLCC X7S może wykazać większą pozostałą pojemność.

Czynniki omówione w tym artykule są często prawdziwe w przypadku wysokich wartości pojemności, gdzie odchylenie prądu stałego jest coraz bardziej widoczne i działa w celu zmniejszenia efektywnej pojemności. Jest to również obszar, w którym projektanci często walczą o każdy dodatkowy nF z wąskimi obliczonymi marginesami.

Idąc naprzód

Każdy inżynier zajmujący się elektroniką lub podzespołami elektronicznymi na rynku motoryzacyjnym, przemysłowym lub innym, zyska korzyści z bliższego przyjrzenia się X7S pod kątem wymagań dotyczących kondensatorów MLCC o wysokiej pojemności. Wyniki przedstawione przez SEMCO pokazują, że kondensatory MLCC X7S mogą czasami oferować znacznie lepsze odchylenie prądu stałego niż ich odpowiedniki X7R. Nawet biorąc pod uwagę współczynnik TCC, kondensatory MLCC X7S często wykazują najlepsze ogólne wyniki.

Istnieje wiele ciągłych zmian w projektowaniu MLCC, ponieważ dostawcy starają się sprostać coraz wyższym wymaganiom inżynierów w nowoczesnym przemyśle elektronicznym. Badania nad nowymi materiałami i wpływem parametrów, takich jak współczynnik TCC i odchylenie prądu stałego oznaczają, że prawidłowy wybór MLCC zależy w dużej mierze od konkretnego zastosowania. Kondensatory MLCC X7R i X7S mogą zapewnić optymalne rozwiązanie w zależności od celów projektu. Dla projektantów, którzy chcą uniknąć oddania przewagi konkurentom, nadrzędnym przesłaniem jest to, aby nie trzymać się sztywno wcześniej dokonanych wyborów MLCC w nowych projektach, ale rozważyć wszystkie opcje. Dostępne zyski mogą okazać się miłą niespodzianką.

Benjamin Blume, Lider Zespołu w Dziale Projektowania Zastosowań w Europie i Hank Kang, Kierownik Produktu w dziale Podzespołów Pasywnych.