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何謂最適合開關電源的電容和電感

積層陶瓷電容逐漸大容量化

電容篇 -1-

Keyword
  • 積層陶瓷電容
  • MLCC
  • 470µF
  • 每層變薄
  • 提高電容率
  • 多層堆疊
  • 功能性高分子
  • 溫度特性
  • DC偏壓
  • Case尺寸

架構DC/DC轉換器時,除了DC/DC轉換器用IC外,輸入及輸出之電容和電感同樣也是重要的零件。近年DC/DC轉換器不僅要求高效率,同時也有低電壓大電流輸出、高速暫態響應、低雜訊等多方面的要求。因此,與DC/DC轉換器用IC改良的進步相同,電容和電感也正在進化中。有關於架構DC/DC轉換器時研發出何種電容和電感、何種特性是訴求的重點,特別請教了國內具代表性供給廠商之一的太陽誘電股份有限公司新事業推進總部的石原先生。

-在開關電源設計中,選擇外置零件與選擇電源用IC同樣重要,這個認知想必越來越高。這次很榮幸有這個機會,所以想好好請教一下身為零件廠商的想法或資訊。我想請教關於電容和電感的問題,首先煩請從電容開始。

   近年從電源IC的應用電路例來看,其中似乎有許多推薦所謂MLCC﹙Multilayer Ceramic Chip Capacitor﹚的積層陶瓷電容。我想是因為在各方面都有優點,能否麻煩您先談談一些基本概念?

的確,開關電源中積層陶瓷電容的需求正逐漸增加中。主要理由是可以製作成適合表面打件的形狀,在特性面上也適合開關電源,取代傳統電解電容的需求越來越高。那麼,首先就簡單說明一下積層陶瓷電容的構造。

如圖所示,積層陶瓷電容為塗有粉狀陶瓷材料之薄晶片介電質及電極交互重疊的構造。為了讓大家想像構造與靜電容量的關係,我用以下公式來說明,。

由公式可知,當真空的電容率ε0×相對電容率εr越高,積層數n越多,面積S越寬,介電質1層厚度越少的話,則積層陶瓷電容的靜電容量就越高。簡單來說,藉由增加高度和面積可以增加靜電容量,不過所求得的是「在滿足需要的靜電容量條件下越小越好」,且盡可能將每層介電質層變薄並提升電容率,增加積層數,這些需要高度的材料技術和製造技術。

-說到積層陶瓷電容,不免讓人有並未涵蓋太大容量的印象,不過現況到底是如何呢?

從小容量開始是理所當然的,不過本公司目前也可以提供470µF的產品。此外,即使相同容量也正逐漸小型化。此圖是本公司的產品Roadmap,我想應該有助於理解靜電容量、尺寸、耐壓的關係。

IC基礎下的DC/DC轉換器由於輸出電容有數十µF到數百µF,因此涵蓋涵蓋範圍想必非常廣闊。您應該也知道,靜電容量、尺寸、耐壓全部位於相反關係。針對先前已説明的「使每層變薄、電容率變高、多量堆積」課題,目前正持續研發中。

-若涵蓋涵蓋這些容量的話,我想應該可以開始與聚合物系晶片電容等並駕齊驅,不過到底有什麼不同呢?

沒錯,理解聚合物系,也就是功能性高分子電容和MLCC:積層陶瓷電容有何不同在設計DC/DC轉換器上我想是非常重要的。

那麼,就從構造或材料的不同開始説明。如圖所示,積層陶瓷電容一如文字所述,其構造為積層,而另一方則是以鉭或鋁作為介電質的電容元件DC/DC,陰極使用功能性高分子和二氧化錳。使用二氧化錳的是鉭電解電容,雖然近來已經不太使用,不過我們還是拿來當作比較。種類不同材料也不同,煩請參考圖表。

鉭電解電容因介電質的膜薄而可以大容量,不過由於陰極使用二氧化錳,故有等效串聯電阻ESR偏高的問題。不過優點則是,藉由使用二氧化錳,即使介電質的薄膜損壞也會本身的修復。只是,降低ESR是重要的市場需求,於是陰極使用功能性高分子的電容便開始成為主流。電極的導電度與ESR有關。由表例可知,鉭電解電容為0.1S/cm,而使用聚吡咯PPY者為100S/cm,有極大的改善。在本身的修復方面,功能性高分子雖然無法本身的修復,不過破壊部分會自然絕緣,可以持續運作。

反之,積層陶瓷電容因電極材料的導電度與積層構造而可以使ESR非常小,達到高的相對電容率,故逐漸大容量化/小型化。此外,由於介電質的覆膜厚,故具有電界強度比其他高且壽命長的優點。有關此點,煩請看圖表的數値便可以明白。

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