片式电容及其应用

钱振宇，史建华

为了满足电子设备的整机向小型化、大容量化、高可靠性和低成本方向发展的需要，片式电容也在迅速地发展：种类不断增加，体积不断缩小，性能不断提高，技术不断进步，材料不断更新，轻薄短小系列产品已趋向于标准化和通用化。此外，为了适应线路高度集成化的要求，多功能复合片式电容器正成为技术研究热点。1片式叠层陶瓷介质电容器

在片式电容器里用得最多的要数片式叠层陶瓷介质电容器(MLCC)了。

片式叠层陶瓷电容器，简称片式叠层电容器（或进一步简称为片式电容器），是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极），形成独石结构，故也叫独石电容器，如图1所示。

介质电极端头图1

图1表明，片式叠层陶瓷电容器是一个多层叠合的结构，其实质是由多个简单平行板电容器的并联体。因此，该电容器的电容量计算公式为

C=NKA/t

式中，C为电容量；N为电极层数；K为介电常数（俗称K值）；A为相对电极覆盖面积；t为电极间距（介质厚度）。

由此式可见，为了实现片式叠层陶瓷电容器大容量和小体积的要求。只要增大N（增加层数）便可增大电容量。当然采用高K值材料（降低稳定性能）、增加A（增大体积）和减小t（降低电压耐受能力）也是可以采取的办法。

其中介电常数K，取决于电容器中填充的陶瓷介质材料。电容器使用的环境温度、工作电压、工作频率以及长期工作的稳定性等对不同的介质会有不同的影响。通常介电常数（K值）越大，则稳定性、可靠性和耐用性便越差。

目前最常用的多层陶瓷电容器介质有三个类型：COG或NPO是超稳定材料，K值为10～100，在－55℃～＋125℃范围内电容器的容量变化不超过±30ppm/℃；X7R是较稳定的材料，K值为2000～4000；Y5V或Z5U为一般用途的材料，K值为5000～25000。除COG和NPO外，其余材料是按其工作温度的范围和电容量的变化率来命名的。详见表1：

1

表1

下限温度（代码）

上限温度（代码）

电容量变化率（代码）±1.0%（A）±1.5%（B）±2.2%（C）±3.3%（D）±4.7%（E）±7.5%（F）±10%（P）±15%（R）±22%（S）＋22～－33%（T）＋22～－56%（U）＋22～－82%（V）

＋10℃－30℃－50℃（Z）（Y）（X）

＋45℃＋65℃＋85℃＋105℃＋125℃（2）（4）（5）（6）（7）

常用的介质材料中：

X7R代表使用温度范围为－50℃至＋125℃；在此范围内的电容量变化可达到±15％。Z5U代表使用温度范围为＋10℃至＋85℃；在此范围内的电容量变化从－56％至＋22％。Y5V代表使用温度范围为－30℃至＋85℃；在此范围内的电容量变化从－82％至＋22％。

这些关系表明，对片式电容器选择不能一味只考虑体积和价格，如果有使用环境温度问题，还应当注意电容器的介质带来的电容量变化问题。图2画出了不同材质电容器电容量以及介质损耗随温度变化的曲线。

COG的tanδ可忽略稳定的X7R介质一般的Z5U/Y5V介质

图2

不同材质电容器的性能和应用事项：①NPO电容器

NPO电容器是电容量最稳定和介质损耗最小的电容器。在温度-55℃至+125℃的电容量变化为0±30ppm/℃；另外，电容量随频率及相对使用寿命的变化都非常小。

NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容，以及高频电路中的耦合电容。②X7R电容器

X7R电容器被称为温度稳定型陶瓷电容器。在温度在-55℃至+125℃时的容量变化为15%，需要注意的是，此时电容器容量变化是非线性的。

X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的，也随时间的变化而变化，但是要比Z5U和Y5V电容器好得多。

X7R电容器主要用压要求不高的工业场合，而且电压变化所造成的容量变化是可以接受的条件下。它的主要特点是，相同的体积下（与NPO电容器）电容量可以做得比较大。③Z5U电容器

Z5U电容器称为“通用”陶瓷片式电容器。它最主要优点的是小尺寸和低成本。在已经讲过的三种片式电容中，同样体积下，Z5U电容器具有最大的电容量。

但Z5U电容量受环境和工作条件影响较大，另外介质损耗可以达到3%。

2

尽管它的容量不稳定，但它特有的体积小、等效串联电感（ESL）和电阻（ESR）低、以及频率响应好的优点，使这种电容获得了广泛应用，特别是在退耦电路的应用。④Y5V电容器

Y5V电容器是有一定温度的通用电容器，在－30℃到＋85℃范围内其容量变化可以达到＋22%至－82%，另外，介质损耗可以达到5%。

但Y5V的高介电常数，允许在较小的物理尺寸下制造出高达4.7μF的电容器。最后，说一说工作电压和储存时间对电容器容量变化的影响：

①使用电压对电容器的电容量有影响。图3可见在施加额定电压后，有些电容器的电容量会大幅下降（如ZU5），有可能达不到使用效果。这同样说明在电容器上选择不能一味追求大容量和小体积，必须在容量和使用电压上留有充分余地。

图3

②储存时间对电容器的容量也有影响。

对超稳定的电容器，如COG和X7R，电容器随时间增长的容量变化不大。

可是Z5U/Y5V这类电容器，存放1000小时后的电容量变化可以达到5～10%，或更大。但电容器的容量老化是可逆的，每次将电容温度升到125℃，老化过程便重新开始。所以，这类电容器在长时间存放后所发生的容量偏低不属于产品质量问题，其特性是符合国际规范的。对容量偏低电容器，放在150℃左右的环境下预热1小时，其电容量就能得到恢复。2片式电容器在设备电磁干扰抑制中的应用

片式电容器在电子电路中的主要应用有：滤波、耦合、去耦、旁路、谐振、时间常数（定时）和反馈等。片式电容器在设备中电磁干扰抑制的应用，只是片式电容器的一个应用方面，为了突出电容器的“对策”作用，才专门列成一节。其中，电源线路去耦和滤波也是设备电磁干扰抑制的一部分。此外还有信号线的共模滤波，信号线和电源线的辐射抑制等。

有时为了使片式电容干扰抑制的效果更加显现，还要与片式磁珠和片式电感器结合起来使用。现时还有一种将电容和电感综合在一个元件里的片式复合器件可以供应，使用更方便，效果也更好。

3片式电容器的线路形式3.1片式二端电容器

片式二端电容器是使用最普遍的片式电容器，这里特别说一说它与普通电容器的差异。我们平常使用的陶瓷圆片电容器作为旁路电容，可以将高频干扰短路到地，达到抗干扰的目的。但是电容器的引线电感及电容内部的剩余电感却了它的高频特性发挥。图4画出了引线电感对电容器的高频特性影响例。图中可见，电容器的插入损耗开始随频率增加而增加，直至达到自谐振频率（等效电感与电容的串联谐振），插入损耗达到最大值。此后，由于等效电感的感抗增大，使插入损耗开始下降。为了使电容器在高频时也有较好的旁路作用，必须让旁路电容的自谐振频率要高，所以电容器的引线不能长。

3

图4

片式二端电容器对于改进普通引线式电容器的自谐振问题很有好处，因为片式二端电容器的引线长度得到了最大限度缩减。只是电容器的内部结构，并不能够消除内部电极的残留电感，这样当频率达到使电容器的容抗XC同残留电感的XL的绝对值相等时，二端电容依然会产生自谐振，但是与普通有引线的二端电容相比较，还是有很大改进（谐振频率点向高端频率明显推移）。

在村田，片式电容器产品极其丰富，有一般的去耦和滤波用电容器（规格多、容量大，还有排容产品），还有一些特殊的电容器可以使用。

图5为GRM15/18/21/31系列的片式电容器的外形。

图5

其中：

●GRM18/21/31系列片式电容器适合于波峰及回流焊接；GRM15系列只适合回流焊接。●GRM15/18/21/31系列片式电容器备有长×宽×厚度为1.0×0.5×0.5mm至3.2×1.6×1.6mm的多种尺寸可供选用。

●GRM15/18/21/31系列片式电容器的适用电压包括6.3V、10V、16V、25V、50V、100V、200V和500V等多个等级；根据使用的介质材料分，有COG至Y5V等多种可以选择。●GRM15/18/21/31系列片式电容器可用在一般用途的电子设备中。

村田还有一种排容，在一个器件中有2至4个电容器，尤其适合在单片机总线上使用，见图6。

二元件四元件

图6

3.2片式三端电容器

在分离元件的电容器中还有一种贯通电容器，亦称为穿芯电容器，堪称是最理想的电容

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器。穿芯电容的结构是地电极围绕在介质周围，同时信号线通过介质。由于这种电容器的接地端面和信号端面都不存在剩余电感，因此它提供的插入损耗近乎是理想的（见图7，作为特性的比较，图中也给出了普通引线电容和三端电容的损耗特性）。

图7

将穿芯电容的结构原理运用到片式电容器的制作上，这就是片式三端穿芯电容器。采用独石结构实现的片式多层穿心电容器，它纵向部分的一侧为信号的输入，另一侧为信号的输出，电容器的这种结构使信号通过整个芯片。电容器的接地端子开口在横向两侧。由于有两个信号端子和两个接地端子同时引出，而形成外观四端式结构，如图8所示。使用片式三端穿芯电容器时，横向侧的两个接地端子要同时接地。

图8

图9给出了多种电容器的插入损耗和自谐振频率的比较。从图中可以看出片式三端电容的性能要明显优于片式二端电容器。

图9

村田的NFM18C（1.8×0.8×0.6mm，16V，400～700mA）、NFM21C（2.0×1.25×0.8mm，50V，700～2000mA）、NFM3DC（3.2×1.25×0.7mm，50V，300mA）和NFM41C（4.5×1.8×1.0mm，100V，300mA）系列片式三端电容器（容量范围22、47、100、220、470、1000、2200、22000pF）可以将残留电感降到极低水平，使其对高频噪声有极好的抑制作用。常用在数字电路、计算机和外围设备中，也用在便携式的设备，如掌上电脑、计算机卡和移动电话中。

图10为NFM21C系列外形、等效电路和插入损耗特性。

5

插入损耗（dB）频率（MHz）

图10

村田还有一种内部具有中心距为0.8mm的NFA31C系列片式三端电容器，为4个电路的排容，见图11，其外形尺寸为3.2×1.6×0.8mm，额定电压为25V，额定电流为200mA，静电容有22、47、100、220、470、1000、2200、22000pF等几种。由于三端结构有低的残留电感，因而适合于对高频噪声的抑制。4个电路采用共用的双端子简单接地，实现了极好的高频噪声抑制功能。可用在计算机和外围设备，便携式电话、PDA，以及DVD等设备上。尤其适合于数字输入/输出线的高频噪声抑制。

图11

3.3大电流片式三端电容器

村田的大电流NFM18P/21P/3DP/41P/55P系列片式三端电容器（视型号不同，外形尺寸从1.6×0.8×0.6mm至5.7×5×2.2mm，工作电压有6.3V，10V，16V和50V等数种，通过电流达到2～6A）。用在电脑、外设、掌上电脑、通信设备、数字电视和DVD等设备中高速IC电路电源线的噪声抑制。这里专门列为一节，以示它与前面三端电容器的区别。这种电容器的残留电感低、静电容大（静电容可选规格有0.1μF，0.22μF，0.47μF，1.0μF，1.5μF，2.2μF，4.7μF等数种），在宽频率范围内有很高的插入损耗，而小巧的外形尺寸更有利于高密度的安装。3.4片式平衡线滤波器

除了前述片式电容器外，英国SYFER公司还将两个Y电容器和一个X电容器集成在一起，构成一个片式叠层型X2Y电容组件，可同时抑制共模和差模噪声。被用在DC电源作为滤波器使用；也可以用在平衡线和双绞线上，抑制寄生在信号线上的共模和差模噪声，见图12。

6

0共模插入损耗（dB）A

地

B

100p220p470p

22p47p

20

1n2.2n10n4.7n22n47n

40

100n220n

60

800.1

1.0

10100频率（MHz）

1000

图12

SYFER的片式平衡线滤波器，根据尺寸不同，从16V至100V有数档可选择；片中电容C1=2C2，C2从50pF～600nF分成许多档次可以选择。SYFER公司的片式平衡线滤波器所采用的介质材料有COG和X7R两种，由于介电系数不同，同样尺寸下COG材料电容的容量要比X7R小很多。

片式平衡线滤波器的优点：

●用一个元件取代两个或两个以上的电容和电感。减少了线路板上的元件数量，节省了线路板的使用面积，提高了组装的效率，有利于微型化。

●内部结构特殊，残留电感非常低（一般的线-地电感仅为100pH，而线-线电感仅50pH），因此在高频工作时的性能尤其突出。●能同时进行共模与差模的衰减。

●两个对称的共模电容，容量的一致性较易得到保证。温度、电压和时间的影响会使两个共模电容作出同步反应，保证了两线的绝对平衡。

●平衡线滤波器设计为两根线的旁路去耦元件，对处理高电流信号最为理想。4片式电容器的应用问题4.1不同片式电容器的比较

表2是不同片式电容器的比较。表2

器件名称普通两端贴片电容三端贴片电容平衡线滤波电容器

优点

●符合工业标准

●性能接近于穿芯电容器●残留电感值较小●●●●

非常低的残留电感

一个器件代替了3个电容

特殊的结构抵消了环境因素的影响可同时对共模和差模干扰进行处理

缺点

●每一根线要用一个电容●残留电感值较大

●很难保证所选电容器的特性一致●通过电流的大小受器件

应用●低频●旁路●贯通●不平衡线●高频●平衡线●高频●旁路

●只用于对平衡线的处理

4.2片式二端电容器的正确接线

已经讲过，电容器的残留电感量大小直接会影响到高频滤波的效果，为了提高高频滤波的效果，就要尽量减小残留电感ESL，使谐振频率f0向高频段的方向移动。注意，这里残留电感不仅是由元件本身的构造和材料所决定的，而且在应用线路里地线的稳定性以及地线

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低阻抗设计也非常重要。

4.3不同的片式电容器在线路板上的正确接线方法

不同的片式电容器在线路板上的正确接线方法见图13所示。

图13

4.4片式三端电容的使用和接地问题●将片式三端电容用在噪声源发生处

在差模信号流经的线路上，由片式电容器担当的这类噪声抑制器的接地端子应连接在噪声源一侧的接地点上，这样差模噪声便被旁路到地，于是噪声得到消除，见图14所示。

图14图15●将片式三端电容用在噪声传输的途径上

在存在共模噪声问题的噪声传输路径上，电容器这类噪声抑制器的接地端应连接在一个非常稳定的地平面上，这样就能将有较高噪声线路中的噪声旁路到地，见图15所示。●片式三端电容器的接地

片式三端电容器的接地方法见图16所示。图中对比了两种接地方式，图a是正确的，图b则是不正确的，详细原因请见图中右侧文字说明。

8

好！

a)

差！

b)

图16

另一张用来说明片式三端电容器的接地方法见图17所示。和图16不同，这一张图用来说明三端电容器和接插件配合的问题其中图a是正确的，图b则是不正确的，详细原因请见图中右侧文字说明。

好！

a)

9

差！

b)

图17

4.4进一步提高片式三端电容器使用效果的方法

作为比较，图18是片式三端电容器在线路板上的一般接线方法，及使用效果的测量结果。图19则是采用“老鼠洞”技术的屏蔽安装方法，及使用效果的测量。

图18图19

贴片电容器的优点是可采用高密度的自动化安装，但如果没有采取辅助屏蔽，在高频时输入与输出之间的辐射耦合，使效果大打折扣。为此可采用屏蔽隔板，板的下面开一个“老鼠洞”，把电容器的输入和输出分别放在屏蔽板两边（图19），隔离两者间的辐射干扰，效果可达到1GHz及以上，可与贯通滤波器比美，这就是所谓“老鼠洞”屏蔽技术。4.5片式电容器与其他电子器件的组合使用例●三端电容器与磁珠的组合使用例

图20是将日本MARUWA公司的磁珠与三端电容器结合起来使用的例子。其中图a是单个磁珠的插入损耗，图b是单个三端电容的插入损耗。从图中可以看出，两种器件单独使用时的插入损耗曲线都不是非常陡直，说明噪声衰减的选择性比较差；与此同时，插入损耗的最大衰减也不是很大，说明对噪声的衰减能力有限。从图c至图h给出了将磁珠与三端电容器合在一起使用的插入损耗曲线。其中图c至图f是220pF、470pF、1000pF和2200pF四种电容分别配60Ω至2000Ω磁珠时得到的插入损耗曲线。而图g和h是磁珠固

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定，分别是150Ω和2000Ω配不同电容时（220pF、470pF、1000pF和2200pF四种电容）得到的插入损耗曲线。从曲线的形状与最大衰减值来看，都要比单个元件使用有较大改进。

a）b)

c)d)

e)f)

g)h)

图20

●片式三端电容器与铝电解以及钽电解电容器组合改善开关电源输出端滤波电容的高频

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特性例

众所周知，开关电源的主要缺点之一是输出电压含有较大的噪声电压的峰峰值，这是由于电解电容器在高频下的特性不完善所造成的。电解电容在高频下可以用电容、电阻和电感三者的串联来等效。因此，在高频下电容对噪声的旁路作用不再明显，由于电阻和电感的存在，反而使噪声电压体现在电源的输出端。为了抑制开关电源的输出噪声，通常有两个建议可供设计人员采用，一个是将输出端的电解电容一拆为几，即一个大容量的电解电容用几个小容量电解电容的并联来代替。这一建议虽不能根本抑制噪声电压的产生，但用新办法所产生的信噪声电压的峰峰值要比原先为小。另一个方法是在电解电容旁边并联一个小容量的高频陶瓷电容器，利用高频电容在高频下所体现的低容抗，将输出噪声电压得到较大衰减（当然在印刷电路板上的陶瓷电容也应该保持比较短的走线长度，保持尽可能小的线路阻抗）。

图21是日本MARUWA公司提供的方案与试验结果。其中图a上有两根曲线，一根是将47μF的铝电解电容器与0.1μF及0.01μF的两个高频陶瓷电容并联后在50Ω-50Ω测试系统中得到的插入损耗曲线。另一根是将47μF的铝电解电容器与一个是0.1μF的三端电容器并联后得到的插入损耗曲线。图b则是将铝电解电容器改换成钽电解电容器（电容器的不变）后，并联同样容量的高频电容和三端电容后得到的插入损耗曲线。从两张图和两根曲线可以看出，采用三端电容器的衰减特性要比采用普通高频电容要好；采用钽电解电容的衰减特性要比采用铝电解电容器好。

（图中三端电容为MARUWA公司的CNH20F104Z）

图21

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