陶瓷电容(MLCC)，你真的了解吗？

摘要：本文主要介绍陶瓷电容(MLCC)的结构、阻抗-频率特性、直流偏压特性、温度特性和关键参数。

一、物理结构

多层片式陶瓷电容器(Multi-layer Ceramic Capacitor,MLCC)是由极薄的陶瓷介质膜片和印刷在陶瓷片上面的电极材料(多数为镍)以错位方式层叠而成。

电容容值计算公式如下：

\[C=\frac{\epsilon S}{4\pi kd}\tag{1}
\]

\(\epsilon\)由陶瓷介质决定，常见的陶瓷介质成分有：锆酸锶SrZrO3、钛酸钡BaTiO3、钛酸锶钡BaSrTiO3等。锆酸锶SrZrO3掺杂改性主要制作NP0(C0G)类MLCC，钛酸钡BaTiO3掺杂改性主要制作X7R、X5R、Y5V等类的MLCC。

二、特性

2.1 阻抗-频率特性

实际生产的电容都不是理想的，会有寄生电感ESL、等效串联电阻ESR存在，同时因为电容两极板之间的介质不是绝对绝缘的，还会存在一个阻值较大的绝缘电阻，所以实际电容等效电路如下图。

根据上述电容模型，我们可以得到电容的复阻抗公式：

\[Z=R_{ESR}+\frac{R*\frac1{jwC}}{R+\frac1{jwC}}+jwL\tag{2}
\]

实际陶瓷电容的绝缘电阻非常大(MΩ级别)，所以R≫\(\frac1{jwC}\)，即电容的复阻抗公式可简化为：

\[Z=R_{ESR}+\frac1{jwC}+jwL\tag{3}
\]

实际陶瓷电容器的|Z|/ESR频率特性曲线如下：

低频

在低频率范围内，实际电容接近于理想电容器(红虚线)，MLCC呈容性，复阻抗与频率呈反比关系。

共振点

当\(w=\frac1{\sqrt {LC}}\)时，电容和ESL发生谐振，此时\(Z=R_{ESR}\)，阻抗达到最小，所以此时电容滤波效果最好。

高频

在高频率范围内，实际电容接近于电感(蓝虚线)，MLCC呈感性，复阻抗与频率呈正比关系。

2.2 直流偏压特性

如果在电容两端施加直流电压时，其静电容量会随直流电压的上升而变化(降低)的现象称为电容的直流偏压特性。

这种特性是钛酸钡(BaTiO3)系铁电体的高介电常数类MLCC特有的现象，导电性高分子的铝电解电容器(高分子AI)、导电性高分子钽电解电容器(高分子Ta)、薄膜电容器(Film)、氧化钛和使用了锆酸钙系顺电体的温度补偿用MLCC上几乎不会发生这种现象。

MLCC的直流偏压特性具有以下规律(数据来源于村田官网)：

1、容量不同、其他参数一致的电容，容量越大，直流偏压特性越明显。

2、容量相同、耐压不同的电容，在相同的直流偏压下，容量下降的比例相近。

3、容量、耐压都相同的电容，封装越小，电容量下降越慢。

在直流电源电路、考虑时间常数的电路(如RC充放电)、高通滤波器或低通滤波器等电路设计中，MLCC的直流偏压特性会有较大的影响，需要重点考虑。

2.3 温度特性

电容的静电容量会随温度变化而变化(增减)的特性称为电容的温度特性。MLCC的温度特性主要和陶瓷介质的材质有关，C0G类MLCC的静电容量在-55℃~125℃范围内基本不随温度变化，II类MLCC(X7R、X5R、Y5V等)的静电容量会随温度变化而有较为明显的改变。

另外导电性高分子铝电解电容器(高分子AI)和薄膜电容器(Film)的温度特性也比较好，导电性高分子钽电容器(高分子Ta)在高温区域中静电容量变化较大。

扩展知识： NP0(Negative Positive Zero)是指电容特性不随正负温度变化而出现容值漂移的现象，在工作温度范围(-55℃~125℃)内，容量变化为0±30ppm/℃，容量随频率的变化小于±0.3\(\Delta\)C，漂移或滞后小于±0.05%，主要用于RF电路、谐振器、振荡器等对电容容值稳定性要求严格的场景。

三、关键指标

3.1 容量

电容量是指电容加上电荷后储存电荷的能力大小。常用电容容值如下表：

等级	常用电容容值
pF级	0.5pF、1pF、2pF、3pF、4pF、5pF、6pF、7pF、8pF、9pF、10pF、11pF、12pF、13pF、15pF、16pF、17pF、18pF、19pF、20pF、21pF、22pF、23pF、24pF、27pF、30pF、33pF、36pF、39pF、43pF、47pF、51pF、56pF、62pF、68pF、75pF、82pF、91pF、100pF、120pF、150pF、180pF、220pF、270pF、330pF、390pF、470pF、560pF、680pF、820pF、910pF
nF级	1nF、1.2nF、1.5nF、1.8nF、2.2nF、2.7nF、3.3nF、3.9nF、4.7nF、5.6nF、6.8nF、8.2nF、10nF、12nF、15nF、18nF、22nF、27nF、33nF、39nF、47nF、56nF、68nF、82nF、100nF、120nF、220nF、330nF、470nF、680nF
uF级	1uF、2.2uF、4.7uF、10uF、22uF、47uF、100uF

3.2 精度

电容精度是指其实际容量与标称容量间的偏差。一般电容的精度如下：

电容类型	精度档次
NP0(C0G)(0.5pF~4.9pF)	B(±0.1pF)；C(±0.25pF)
NP0(C0G)(5.0pF~9.9pF)	D(±0.5pF)
NP0(C0G)(≥10pF)	F(±1%)；G(±2%)；J(±5%)；K(±10%)
X7R	J(±5.0%)；K(±10%)；M(±20%)
X5R	J(±5.0%)；K(±10%)；M(±20%)
Y5V	M(±20%)；Z(-20%,+80%)

3.3 额定工作电压

额定工作电压是该电容器在电路中能够长期可靠地工作而不被击穿所能承受的最大直流电压(又称耐压)，它与电容器的结构、介质材料和介质的厚度有关。一般来说，对于结构、介质相同，容量相等的电容器，其耐压值越高，体积也越大。

陶瓷电容常见的额定电压有：2.5V、4V、6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、450V、500V、630V、1KV、1.5KV、2KV、2.5KV、3KV等。

3.4 类型

按照电容的温度特性可将MLCC分为两类：I类陶瓷电容(NP0、C0G)和II类陶瓷电容(X7R、X5R、Y5V、Y5U、Z5V、Z5U等)。I类、II类陶瓷电容的特点如下：

类型	温度补偿型(I类)	高介电常数型(II类)
主要原料	一般介电材料氧化钛(TiO2)、锆酸钙(CaZrO3)	强介电材料钛酸钡(BaTiO3)
介电常数	20~300	1000~20000
温度范围	-55℃ ~ 125℃	X7R(-55℃ ~ 125℃)X5R(-55℃ ~ 85℃)Y5V、Y5U(-30℃ ~ 85℃)Z5V、Z5U(10℃ ~ 85℃)
温度系数	0±30ppm/℃	X7R(±15%)X5R(±15%)Y5U、Z5U(+22%/-56%)Y5V、Z5V(+22%/-82%)
特点	容量稳定性好，基本不随温度、电压、时间的变化而变化	容量稳定性差，静电容量会随温度、电压、时间的变化而变化

3.5 等效串联电阻\(E_{SR}\)

MLCC的\(E_{SR}\)与电容器的容量、电压、频率及温度等都有关联；当额定电压、频率、温度一致时，容量越大，\(E_{SR}\)越小；另外，低频时\(E_{SR}\)高，高频时\(E_{SR}\)相对较低；并且高温也会使\(E_{SR}\)增大。

扩展知识： \(E_{SR陶瓷电容}\)<\(E_{SR钽电容}\)<\(E_{SR电解电容}\)

3.6 绝缘电阻

电容漏电的大小用绝缘电阻来衡量，电容漏电越小越好，即绝缘电阻越大越好。一般MLCC的绝缘电阻很大，可达几百兆欧或几千兆欧，而电解电容的绝缘电阻一般较小。