1.2 陶瓷电容（MLCC）选型—-硬件设计指南（持续补充更新）

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本系列文章是笔者总结多年工作经验，结合理论与实践进行整理备忘的笔记。希望能在帮助自己温习整理避免遗忘的同时，也能帮助其他需要参考的朋友。笔者会不定期进行查漏补缺。如有谬误，欢迎大家进行指正。

一、设计要点
1.MLCC的温度特性与陶瓷材料相关，需要根据实际的工作温度范围选择合适的材料，一般pF级特别是射频链路上的电容用C0G，其他容量的以X5R和X7R为主，X5R工作在-5585℃，X7R工作中-55125℃，其他材质应用较少成本较高；
2.MLCC选型时需要注意加上直流电压后的容量衰减效应，一般容量衰减与封装大小相关，与额定电压关系不大（取决于具体型号的衰减曲线），计算时要按照衰减后的实际容值计算；
3.陶瓷材料具有压电效应，给MLCC施加纹波可能产生电容啸叫，一般打胶或者覆盖其他隔音材料可以处理大部分情况，或者换钽电容/电解电容；
4.电容都有寄生电感，导致阻抗-频率曲线为典型LC谐振阻抗曲线，谐振频率之前表现为容性，之后表现为感性，通常电容容值越大谐振频率越低，对低频噪声滤波效果好，容值越小谐振频率越高，对高频噪声滤波效果好，使用时需要注意大小容值电容搭配滤波；
5.一般封装、容量、耐压和成本都正相关，但是小封装大容值成本通常更高，例如0402/22uF每家供应商的报价都远高于0603/22uF和0402/10uF；
6.三端子陶瓷电容具备更小的寄生电感，同时可以利用端子导通的特性辅助走线；

二、要点说明
1.结构与制造工艺
MLCC（Multi-layers Ceramic Capacitor），即多层陶瓷电容器，也称为片式电容器、积层电容、叠层电容等，是使用最广泛的一种电容器。MLCC是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以交错的方式叠合起来，经过高温烧结形成陶瓷块体，再在陶瓷块的两端封上金属层（外电极）而形成的。

MLCC具备体积小、交流损耗小、价格低、便于大规模量产等优点，是消费电子中应用最广泛的电容类别。调整不同的陶瓷介质材料，介质厚度、电极重叠面积等可以灵活改变参数特性。生产工艺可以参考下面链接的视频。
https://files.ceradir.com/video/media/0430/u/0/mp4/ceradir_5541_702.mp4

MLCC的结构主要包括三大部分：陶瓷介质，金属内电极，金属外电极。
陶瓷介质：主要是绝缘性能优良的氧化物材料如钛酸钡、钛酸锶等，它们是构成电容器的电气特性的基础。
内部电极：内部电极存在于每层陶瓷介质之间，起传导电流作用。
外层电极又分为外部电极、阻挡层和焊接层。外部电极主要为铜金属电极或银金属电极，与内部电极相连接，以便外接电源的输入。阻挡层主要成分为Ni镀层，起到热阻挡作用。焊接层主要为Sn镀层，提供可焊接性。

美国标准EIA-198-D对两种介质材料的温度特性进行了定义。对于I类陶瓷介质电容器，在用字母或数字表示陶瓷电容器的温度性质有三部分：第一部分为（例如字母C）温度系数α的有效数字；第二位部分有效数字的倍乘（如0即为100）；第三部分为随温度变化的容差（以ppm/℃表示）。这三部分的字母与数字所表达的意义如表。
 

例如，C0G（有时也称为NP0）表示为：第一位字母C为温度系数的有效数字为0，第二位数字0为有效温度系数的倍乘为-1，第三位字母G为随温度变化的容差为±30ppm/℃，即0(-1)±30ppm/℃，则在最高温度下容值精度为0±30ppm/℃，最低温度下容值精度负偏为-36-(1.22G+0.22CSymbol(0))=-36-(1.2230+0.220*(-1))=-72.6ppm/℃，正偏为0+30ppm/℃=30ppm/℃；NPO是美国军用标准（MIL）中的说法，其实应该是NP0（零），但一般大家习惯写成NPO（欧）。这是Negative-Positive-Zero的简写，用来表示的温度特性。C0x系列都可以叫NP0，最常见的材质为C0G，第一个字母为C时第二个数字没有意义乘出来都是0。

一种观点认为，耐压更高的电容，相对于耐压更低的电容，在同一直流电压下，容量衰减更小。。如果去各个厂商网站查询不同规格的衰减曲线可以发现耐压和直流偏压下的容量衰减没有明显相关性。下图对比展示了在一定直流电压范围内，耐压低的电容容量衰减更小。

通过查询村田、三星等网站的电容直流偏压特性曲线数据，大部分常规的MLCC产品符合如下规律：
3.1.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。
3.2.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。
3.3.容量、耐压都相同的电容，封装越大，电容量下降越慢。

4.阻抗与ESR
电容作为基本元器件之一，实际生产的电容都不是理想的，会有寄生电感，等效串联电阻存在，同时因为电容两极板间的介质不是绝对绝缘的，因此存在数值较大的绝缘电阻。所以，实际的电容模型等下如下图：
 

上图是村田某型号电容的阻抗和ESR-频率曲线，阻抗最小的地方对对应频率的噪声滤波效果远好于其他地方，这个频率被称为谐振频率。谐振频率与电容容值、封装、材质等密切相关，是电容的关键特性之一。一般而言小于100pF的电容器谐振频率在GHz以上，100pF1nF谐振频率在100MHz1GHz，1nF100nF谐振频率在10100MHz，1uF以上电容谐振频率一般不超过10MHz。

ESR，串联等效电阻，用于描述施加交流电时电容的有功功率大小，也是跟随频率不同而有所差异的，一般而言封装越大、容值越大，ESR越小。

一种有效降低ESL/ESR的MLCC设计是LW逆转设计。LW逆转MLCC，即长宽逆转MLCC，普通MLCC是从窄边引出焊盘管脚，LW逆转MLCC是从长边引出焊盘管脚，由于ESR/ESL更小，全频段阻抗曲线可以更低，滤波效果更好，能减少去耦电容的数量，或者改用更小电容封装达到一样的滤波效果。

目前常见的应对方法包括：
a.换其他材质的电容，钽电容、聚合物电容、铝电解电容等，也可以尝试I类材质的MLCC或其他改良压电效应的MLCC，各主流厂家都推出了自己的抗啸叫电容MLCC产品；
b.设法改变电压纹波频率，例如背光驱动产生的电容啸叫，可以调整驱动PWM频率，轻载PFM/PSM模式的DCDC改为强制PWM模式等；
c.设法改变电压纹波幅度，例如DCDC中输出电感换更大的值。
d.调整布局，让电容远离音频电路和音频设备；
e.打胶或消音泡棉覆盖产生啸叫的电容；
f.采用带金属支架端子的MLCC，或者采用引线管脚的MLCC，部分抗啸叫MLCC的设计就是电极用支架端子引出；

g.采用带基板的MLCC，这种扛啸叫MLCC的设计思路是将普通MLCC封装到一个环氧树脂玻璃基板上做缓冲，并引出电极；

h.采用底部保护层加厚的MLCC，这种扛啸叫MLCC的设计思路是加厚底部没有电极的陶瓷层厚度，并控制焊锡高度，发生压电效应时只在上部有电极的区域，底部无电极的陶瓷保护层可以缓冲带动PCB振动产生的啸叫；

6.三端子电容
三端子电容，也叫叫馈通滤波器，是通过将普通2端子电容的电极引出方式进行变更，在短边两端都引出同一极，在中部引出另一极，共3个焊盘管脚，故称为三端子电容，后来也出现了在中间在两侧引出另一极到两个端子的设计，共4个焊盘管脚，仍然被称为三端子电容。由于有更宽的电极引线到焊盘管脚，ESR/ESL都更小
 

由于三端子电容的相对的端子是在内部是同一个电极，故可以采用普通两端子电容的设计进行连接，也可以利用其内部导通特性，让信号或电源路径强制经过电容，起到更好的滤波效果。用于高速信号滤波时，需要考虑其插损参数。对于布线面积紧张的单板，也可以借用三端子电容的对端焊盘内部的电极来作为走线路径给板上模块电路供电。

7.电压不可突变特性
任何电容两端的电压都只能连续变化，利用这一特性可以做很多有意思的设计。比如MOS开关缓启动电路、RC微分电路等。MOS缓启动电流可以延长MOS管开启时间，减少MOS开通瞬间的瞬态电流，MOS管开启时间通常极快，不做缓启动可能超出输入供电的最大规格，导致输入出现异常跌落保护等情况，瞬态电流过大也可能烧毁MOS。RC微分电路用于将矩形脉冲转变成尖峰脉冲电流。
 

一般而言，在射频电路和谐振电路中，我们才需要特意关注Q值。Q值越高，损耗越小，效率越高；Q值越高，谐振器的频率稳定度就越高，因此，谐振频率能够更准确。

在电容的参数测试中，我们经常会听到损耗角正切tanδ，或者损耗因数D值，其含义是有功功率与无功功率的比值，即Q值的倒数。小封装MLCC的寄生电感通常很小，估算时忽略电抗中 j2ΠfL 的数值，则可以快速根据频率和tanδ/D值，估算出ESR。

三、经典电容电路
1.RC延时电路
利用电容的充放电特性来进行延时操作的设计，例如用于时序控制等，需要注意的时间节点需要按照后级阈值来控制，同时应该考虑电容、电容精度，预留足够门限避免容值偏差以及高低温下参数的漂移。还有个容易被忽略的点是，RC延时电路通常用于控制后级IC，后级IC管脚的漏电流会干扰RC参数，同时高低温下IC漏电流可能有很大变化，导致极限情况下实际延时与预期有很大差异。