专家讲堂：通透了解陶瓷电容器的里里外外(1)
本文主要集合的是关于陶瓷电容的相关知识，小编将分成两个版块来讲解，这里主要为大家讲解：1、陶瓷电容器应用于250V交流电供电电路；2、陶瓷电容器在高压下有效容值的最大化。有兴趣的童鞋可以来学习下。
陶瓷电容器应用于250V交流电供电电路
业内提供的标准的多层陶瓷电容都仅用于直流电路。对于用于250V交流电路的浪涌安规贴片陶瓷电容虽然业已问世，但需要通过符合国际标准的严格的脉冲和峰值电压测试，因此容值范围受到极大限制。现在，针对250Vac 60Hz持续交流电的应用，Knowles公司的Syfer品牌提供了更高电容值的非安规的解决方案。
背景
通过直流偏置电压可以很好地区分不同电介质的特性：C0G或超稳定1类电介质材料在外加电压下容值无偏离或仅有很小的偏离。X7R或稳定的2级电介质材料在外加电压下的偏离情况无法一言以蔽之，但可分为几个子类别：EIA X7R（CECC 2R1）无电压系数的要求CECC 2C1/MIL BZ在额定电压下的直流偏置为+20%~-30%CECC 2X1/MIL BX在额定电压下的直流偏置为+15%~-25%但是，以上电介质都没有定义在交流电压下工作时的容值变化。额定电压是直流的电容器却常常用在交流环境下。一般的方法是将直流电容器降额在交流电环境下使用，这样做只能提供需要的可靠性，但却无法得知电容器在实际工作条件下会产生什么样的变化。Knowles公司Syfer品牌的250Vac系列电容器旨在保证交流应用环境下的可靠性和一致性。另一个需要考虑的因素是电容器的自发热效应，这与电容器的容值、耗散因子、频率和外加电压的振幅有关。
测试条件
为了明确交流环境下多层陶瓷电容的性能，Knowles进行了广泛测试。为了获取电容器在工作中的性能模拟所需要的数据，电路设计师对电流、容值变化和温度的上升作了测量。将电容器妥当地安装在PCB板上，保证PCB不会给电路系统带来额外热量的情况下，在室温基础上我们将温升控制25℃以内。Knowles还对其产品作了加速寿命测试，测试在升温条件下进行，电压和频率均达到额定最大值，以确保产品达到Knowles的高质量标准。
测试结果
测试显示了当交流电压作正弦变化，电流通过AC250电容器时随之发生的变化，这有助于设计师了解对交流应用中使用AC250片式电容时的情况。通过电容器的电流定义如下：VrmsXc(1)电抗与频率和容值相关。12πfC(2)Xc是以欧姆为单位的容抗，f是以赫兹为单位的频率，C是法拉为单位的容值。测试选取了不同尺寸和容值的电容样品进行。从0V开始，在50Hz的频率下递增交流电压有效值，可测量到通过电容器的电流。将每个容值单位通过的电流值（使用初始容值）对比外加电压，即可绘制出测试图示如下。参考该曲线图，可根据容值推测出电路中的电流。例如：一颗1812 56nF的电容器，可推断通过电路的电流值为4.76mA (0.085mA/nF x 56nF)，而瞬时有效电压值为200V。变化公式1，我们可计算得出容抗值，Xc=200/4.76-3 =>42016.81ohms。由此可计算出理论容值为76nF。
注释：数值具有典型性，会随温度和精度而改变测试所需设备：用来读取电压和电流值的数字式电压表；外加于测试电路的真实的交流电压有效值由Chroma 6400系列可编程交流电源提供。
注释：数值具有典型性，会随温度和精度而改变
AC250产品系列
产品尺寸从0805到2220，电介质材料为X7R和C0G，容值上限120nF。容值范围分成四类，分别是在外加电压下容值变化几可忽略不计的C0G， 以及X7R材料的三个子类：X7R A，B和C，其在0V-240V 50Hz下的最大容值变化幅度分别为30%，+30%~-50%以及+30%~-80%。
陶瓷电容器在高压下有效容值的最大化
陶瓷电容器基本可划分为两大类：稳定的2级电介质，包括X7R、X5R和X8R，以及超稳定的1级电介质，包括C0G/NP0。实际上还存在3级电介质，但是这种极少用到。电介质的类型决定了它们的性能特色，电路设计工程师据此可视应用的具体情形预测电路性能。
其中红色字体为Knowles公司Syfer品牌的标准产品）一般说来，电介质特性越稳定，所能获得的容值就越低，为了实现最高的稳定性、最低的损耗和0老化，我们选择1级电介质，代价就是只能实现低容值；而为了获取较高的容值，我们选择2级电介质，然而后果就是如上图所示的性能的波动，以及老化现象和更高的损耗。2级电介质另一个极少提及或定义的属性就是容值的电压系数（VCC）。VCC有时非常重要，根据具体的应用要求，它可对电路的性能产生重大的影响。有些种类的电介质材料和电容器的VCC性能有所提升，但是选择性有限。Knowles/Syfer的VC1系列陶瓷电容器（稳定VCC，抗压电效应）旨在针对该领域的应用给出更宽范围的选项。长久以来，随着材料和制造工艺的进步以及对于电容器设计和失效模式的理解的加深，多层陶瓷电容的体积效率也得到了巨大提升。例如，10年前，Knowles/Syfer仅能提供1812，1kV，56nF的电容，现如今针对同样的尺寸和电压，已能实现180nF的容值。3倍容值的提升是一项重大进步，而在低电压应用领域，贱金属电极及超薄介质层技术的改进更是大幅提高了电容的容值密度。但与之相对应的代价在于，电容器在工作中的实际容值，即“残余容值”可能急剧地降低。VCC与电介质材料本身和应用于该介质材料的电压应力相关。改进电介质材料的品质以提升介质强度可降低介质材料的厚度，而这正是提高体积效率的方式。电介质材料厚度减半可使得容值提升四倍，因为针对给定厚度，相当于使得多层陶瓷电容的层数变为之前的两倍，层数之间的距离变为之前的1/2，容值与由电极隔开各层之间重叠的面积之和成一定比例。介质材料厚度的逐步减小导致VCC性能的持续降低；额定电压下电容器失去90%的名义容值这类现象并不鲜见。由于相关的安全余量不同，通常情况下高压电容的性能表现要劣于低压电容。尽管存在这一缺点，减薄介质层厚度毕竟可以提供更高的容值，同时很多用户也会选择降额使用电容，因此容值的衰减情况还是可控的。在一些稳定性要求高的应用中，使用电容器时要谨记这个特性，而且VCC是可以计算的。为了达到稳定性的要求，一些应用中会指定电介质的选用，如军标BZ和BX或IECQ-CECC 2C1和2X1分级：
采用这些电介质的电容器能提供卓越的稳定性，然而也需要付出代价，即其仅限于在参数范围内使用。就2C1(BZ)系列的电容而言，Knowles/Syfer可提供最大的产品范围到200V，2225尺寸，120nF。但是我们需要在普通X7R电介质的高容值和军工类电介质的高稳定性间取得一个平衡，同样我们也要求提升大尺寸和高电压的电容器的电压稳定性。Knowles/Syfer评估了各种电介质材料的特性，并进行了设计以实现产品可靠性和一致性。Knowles/Syfer的VC1系列多层陶瓷电容在额定电压下提供更大的更稳定的容值。经过设计，在室温环境下，随着电压逐渐上升到额定电压值，VC1电容器的容值衰减不会超过50% （相比1Vrms 1kHz时的名义容值）。该系列电容器可在额定电压下持续可靠地工作，但如果在低于额定电压的条件下工作，则可提供更大比例的残余容值，若在80%的额定电压下工作，其容值会下降大约40%。下图是容值随着电压的变化而产生的变化曲线，蓝色曲线是VC1系列，而红色曲线是普通X7R系列。
