TBP-12.7/121過電壓保護器接線圖

時間：2023-02-03作者：醴陵市湘創(chuàng)電器有限公司瀏覽：54

與電介質的介電常數(shù)(Permittivity)有關。電介質的性能影響著電容的性能，不同的介質適用于不同的制造工藝。常用介質的性能對比，可以參考湘創(chuàng)X的一篇技術文檔。湘創(chuàng)XDielectricComparisonChart電容的制造工藝主要可以分為三大類：薄膜電容(FilmCapacitor)電解電容(ElectrolyticCapacitor)陶瓷電容(CeramicCapacitor)2.1薄膜電容(FilmCapacitor)FilmCapacitor在國內通常翻譯為薄膜電容，但和ThinFilm工藝是不一樣的。為了區(qū)分，個人認為直接翻譯為膜電容好點。薄膜電容是通過將兩片帶有金屬電極的塑料膜卷繞成一個圓柱。
后封裝成型；由于其介質通常是塑料材料，也稱為塑料薄膜電容；其內部結構大致如下圖所示：原圖來自于維基百科薄膜電容根據(jù)其電極的制作工藝，可以分為兩類：金屬箔薄膜電容(Film/Foil)金屬箔薄膜電容，直接在塑料膜上加一層薄金屬箔，通常是鋁箔，作為電極；這種工藝較為簡單，電極方便引出，可以應用于大電流場合。金屬化薄膜電容(MetallizedFilm)金屬化薄膜電容，通過真空沉積(VacuumDeposited)工藝直接在塑料膜的表面形成一個很薄的金屬表面，作為電極；由于電極厚度很薄，可以繞制成大容量的電容；但由于電極厚度薄，只適用于小電流場合。金屬化薄膜電容就是具有自我修復的功能，即如電容內部有擊穿損壞。
會在損壞處產(chǎn)生雪崩效應，氣化金屬在損壞處將形成一個氣化集合面，短路消失，損壞點被修復；因此，金屬化薄膜電容性非常高，不存在短路失效；薄膜電容有兩種卷繞方法：有感繞法在卷繞前，引線就已經(jīng)和內部電極連在一起；無感繞法在繞制后，會采用鍍金等工藝，將兩個端面的內部電極連成一個面，這樣可以獲得較小的ESL，應該高頻性能較高；此外，還有一種疊層型的無感電容，結構與MLCC類似，性能較好，便于做成SMD封裝。早的薄膜電容的介質材料是用紙浸注在油或石蠟中，英國人D'斐茨杰拉德于1876年發(fā)明。
工作電壓很高。現(xiàn)在多用塑料材料，也就是高分子聚合物，根據(jù)其介質材料的不同，主要有以下幾種：應用多的薄膜電容是聚酯薄膜電容，比較便宜，由于其介電常數(shù)較高，尺寸可以做的較?。黄浯尉褪蔷郾┍∧る娙?。其他材料還有聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等等。薄膜電容的特點就是可以做到大容量，高耐壓；但由于工藝原因，其尺寸很難做小，通常應用于強電電路，例如電力電子行業(yè)；基本上是長這個樣子：截圖于HighPowerCapacitorsForPowerElectronics-湘創(chuàng)X引申閱讀：FilmcapacitorCapacitors,Part4"FilmCapacitors[1]"湘創(chuàng)XPRODUCTGUIDEFORMEDIUM&HIGHPOWERFILMCAPACITORS2.2電解電容(ElectrolyticCapacitor)電解電容是用金屬作為陽極(Anode。
并在表面形成一層金屬氧化膜作為介質；然后濕式或固態(tài)的電解質和金屬作為陰極(Cathode)。電解電容大都是有極性的，如果陰極側的金屬，也有一層氧化膜，就是無極性的電解電容。根據(jù)使用的金屬的不同，目前只要有三類電解電容：鋁電解電容(Aluminumelectrolyticcapacitors)鋁電解電容應該是使用廣泛的電解電容，其基本結構如下圖所示：鋁電解電容的制作工藝大致有如下幾步：，鋁箔會通過電蝕刻(Etching)的方式，形成一個非常粗糙的表面，這樣增大了電極的表面。
可以增大電容量；再通過化學方法將陽極氧化，形成一個氧化層，作為介質；然后，在陽極鋁箔和陰極鋁箔之間加一層電解紙作為隔離，壓合繞制；加注電解液，電解紙會吸收電解液，封裝成型。使用電解液的濕式鋁電解電容應用廣；優(yōu)點就是電容量大、額定電壓高、便宜；缺點也很明顯，就是壽命較短、溫度特性不好、ESR和ESL較大。對于硬件開發(fā)來說，需要避免過設計，在滿足性能要求的情況下，便宜就是的優(yōu)勢。下圖是基美(Kemet)的鋁電解電容產(chǎn)品，大致可以看出鋁電解電容的特點。原圖截圖于KEMET網(wǎng)站鋁電解電容也有使用二氧化錳、導電高分子聚合物等固態(tài)材料做電解質；聚合物鋁電解電容的結構大致如下圖所示：原圖出自PolymerAluminumElectrolyticCapacitors-Murata聚合物鋁電解電容的ESR較。
容值穩(wěn)定，瞬態(tài)響應好；由于是固態(tài)，抗沖擊振動能力比濕式的要好；可以做出較小的SMD封裝。當然，濕式的鋁電解電容也可以做SMD封裝，不過大都是長這樣：圖片來源于百度圖片而聚合物鋁電解電容的封裝長這樣：圖片來自Murata網(wǎng)站引申閱讀：PolymerCapacitorBasics(Part1):WhatIsaPolymerCapacitor?PolymerCapacitorBasics(Part2):WhatIsaPolymerCapacitor?鉭電解電容(Tantalumelectrolyticcapacitors)鉭(拼音tǎn)電解電容應用多的應該是利用二氧化錳做固態(tài)電解質，主要長這樣：圖片出自SolidTantalumMnO2Capacitors固態(tài)鉭電解電容內部結構大致如下圖所示：原圖出自Vishay技術文檔鉭電容與鋁電解電容。
在于鉭氧化物(五氧化二鉭)的介電常數(shù)比鋁氧化物(三氧化二鋁)的高不少，這樣相同的體積，鉭電容容量要比鋁電解電容的要大。鉭電容壽命較長，電性能加穩(wěn)定。鉭電容也有利用導電高分子聚合物(ConductivePolymer)做電解質，結構與上圖二氧化錳鉭電容類似，就是將二氧化錳換成導電聚合物；導電聚合物的電導率比二氧化錳高，這樣ESR就會低。另外還有濕式的鉭電容，特點就是**大容量、高耐壓、低直流漏電流，主要用于軍事和航天領域。濕式的鉭電容主要長這樣：截圖于Vishay技術文檔引申閱讀：GuideforTantalumSolidElectrolyteChipCapacitorswithPolymerCathodeWetElectrolyteTantalumCapacitors鈮電解電容(Niobiumelectrolyticcapacitors)鈮電解電容與鉭電解電容類。
就是鈮及其氧化物代替鉭；鈮氧化物(五氧化二鈮)的介電常數(shù)比鉭氧化物(五氧化二鉭)高；鈮電容的性能加穩(wěn)定，性高。湘創(chuàng)X有鈮電容系列產(chǎn)品，二氧化錳鉭電容外觀是黃色，而鈮電容外觀是橙紅色，大致長這樣：圖片出自湘創(chuàng)X網(wǎng)站引申閱讀：TantalumPolymerandNiobiumOxideCapacitorsOxiCap?-niobiumoxidecapacitor電解電容對比表，數(shù)據(jù)來源于維基百科，僅供參考。引申閱讀：Electrolyticcapacitor2.3陶瓷電容(CeramicCapacitor)陶瓷電容是以陶瓷材料作為介質材料，陶瓷材料有很多種，介電常數(shù)、穩(wěn)定性都有不同，適用于不同的場。
陶瓷電容，主要有以下幾種：瓷片電容(CeramicDiscCapacitor)瓷片電容的主要優(yōu)點就是可以耐高壓，通常用作安規(guī)電容，可以耐250V交流電壓。其外觀和結構如下圖所示：原圖出自本小節(jié)兩篇引申閱讀引申閱讀：Capacitors|DE1serieslineupCeramicCapacitor多層陶瓷電容(Multi-layerCeramicCapacitor)多層陶瓷電容，也就是MLCC，片狀(Chip)的多層陶瓷電容是目前上使用量的電容類型，其標準化封裝，尺寸小，適用于自動化高密度貼片生產(chǎn)。作者，也就是我自己設計的主板，自己拍的照片，加了藝術效果；沒有標引用和出處的圖片和內容，絕大多數(shù)都是我自己畫或弄出來。
剩下可能疏忽忘加了；標引用的圖片，很多都是我重新加工的，例如翻譯或幾張圖拼在一起等等，工具很土EXCEL+截圖。多層陶瓷電容的內部結構如下圖所示：原圖出自SMDMLCCforHighPowerApplications-KEMET多層陶瓷電容生產(chǎn)流程如下圖所示：原圖出自Capacitors,Part2"CeramicCapacitors[1]"由于多層陶瓷需要燒結瓷化，形成一體化結構，所以引線(Lead)封裝的多層陶瓷電容，也叫*石(Monolithic)電容。在談談電感中也介紹過多層陶瓷工藝和ThinFilm工藝。ThinFilm技術在性能或工藝控制方面都比較，可以的控制器件的電性能和物理性。
因此，ThinFilm電容性能比較好，容值可以做到0.05pF，而容差可以做到0.01pF；比通常MLCC要好很多，像Murata的GJM系列，容值是0.1pF，容差通常都是0.05pF；因此，ThinFilm電容可以用于要求比較高的RF領域，湘創(chuàng)X有Accu-P?系列。引申閱讀ThinFilmCapacitor-湘創(chuàng)XCeramiccapacitorBMEandPMECeramic’sHiddenProperty-KEMET陶瓷介質的分類根據(jù)EIA-198-1F-2002，陶瓷介質主要分為四類：ClassI：具有溫度補償特性的陶瓷介質，其介電常數(shù)大都較低，不**過200。通常都是順電性介質(Paraelectric。
溫度、頻率以及偏置電壓下，介電常數(shù)比較穩(wěn)定，變化較小。損耗也很低，耗散因數(shù)小于0.01。截圖自MaterialsDevelopmentforCommercialMultilayerCeramicCapacitors，Page26性質穩(wěn)定，應用多的是C0G電容，也就是NP0。NP0是IEC/E**0384-1標準中規(guī)定的代號，即NegativePositiveZero，也就是用N和P來表示正負偏差。由于介電常數(shù)低，C0G電容的容值較小，可以做到0.1uF，0402封裝通常只有1000pF。ClassII，III：其中，溫度特性A-S屬于ClassII，介電常數(shù)幾千左右。溫度特性T-V屬于ClassII。
介電常數(shù)可以到20000，可以看出ClassIII的性能加不穩(wěn)定。根據(jù)IEC的分類，ClassII和III都屬于第二類，高介電常數(shù)介質。像X5R和X7R都是ClassII電容，在電源去耦中應用較多，而Y5V屬于ClassIII電容，性能不太穩(wěn)定，個人覺得現(xiàn)在應用不多了。截圖自MaterialsDevelopmentforCommercialMultilayerCeramicCapacitors，Page103由于ClassII和III電容的容值可以做到幾百uF，但由于高介電常數(shù)介質，大都是鐵電性介質(Ferroelectric)，溫度穩(wěn)定性差。此外，鐵電性介質，在直流偏置電壓下介電常數(shù)會下降。
在談談電感一文中，介紹了鐵磁性介質存在磁滯現(xiàn)象，當內部磁場**過一定值時，會發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，導致磁導率下降；同樣的，對于鐵電性介質存在電滯現(xiàn)象，當內部電場**過一定值時，會發(fā)生電飽和現(xiàn)象，導致介電常數(shù)下降。因此，當ClassII和III電容的直流偏置電壓**過一定值時，電容會明顯下降，如下圖所示：圖片來源GRM188R60J226MEA0-MurataClassIV：制作工藝和通常的陶瓷材料不一樣，內部陶瓷顆粒都是外面一層很薄的氧化層，而是導體。這種類型的電容容量很大，但擊穿電壓很小。由于此類電容的性能不穩(wěn)定，損耗高，現(xiàn)在已經(jīng)基本被淘汰了。引申閱讀：ECA-EIA-198-1-F-2002MaterialsDevelopmentforCommercialMultilayerCeramicCapacitorsHysteresisinPiezoelectricandFerroelectricMaterials電容類型總結表原圖出自維基百科還有一類**級電。
就是容量特別大，可以替代電池作為供電設備，也可以和電池配合使用。**級電容充電速度快，可以完全地充放電，而且可以充到任何想要的電壓，只要不**過額定電壓?，F(xiàn)在應用也比較多，國內很多城市都有**級電容電動公交車；還有些電子產(chǎn)品上也有應用，例如一些行車記錄儀上，可以持續(xù)供電幾天。引申閱讀：WhatIsaSupercapacitor(EDLC)?MurataSupercapacitorTechnicalNoteCapacitortypesComparisonofMultilayerCeramicandTantalumCapacitors電容的應用與選型器件選型，其實就是從器件的規(guī)格書上提取相關的信息，判斷是否滿足產(chǎn)品的設計和應用的要。
3.1概述電容作為一個儲能元件，可以儲存能量。外部電源斷開后，電容也可能帶電。因此，提示十分必要。有些電子設備內部會貼個高壓危險，小時候拆過家里的黑白電視機，拆開后看到顯像管上貼了個高壓危險，那時就有個疑問，沒插電源也會有高壓嗎？工作后，拆過幾個電源適配器，被電的回味無窮……儲存能量就可以當電源，例如**級電容；存儲數(shù)據(jù)，應用非常廣。動態(tài)易失性存儲器(DRAM)就是利用集成的電容陣列存儲數(shù)據(jù)，電容充滿電就是1，放完電就是0。各種手機、電腦、中內存的使用量非常大，因此，內存行業(yè)都可以作為信息產(chǎn)業(yè)的*了。此外，電容還可以用作：定時：電容充放電需要時間，可以用做定時器；還可以做延時電路，常見的就是上電延時復。
一些定時芯片如NE556，可以產(chǎn)生三波。諧振源：與電感一起組成LC諧振電路，產(chǎn)生固定頻率的信號。利用電容通高頻、阻低頻、隔直流的特性，電容還可以用作：電源去耦電源去耦應該是電容廣泛的應用，各種CPU、SOC、ASIC的周圍、背面放置了大量的電容，目的就是保持供電電壓的穩(wěn)定。，在DCDC電路中，需要選擇合適的輸入電容和輸出電容來降低電壓紋波。需要計算出相關參數(shù)。此外，像IC工作時，不同時刻需要的工作電流是不一樣的，因此，也需要大量的去耦電容，來工作電壓得穩(wěn)定。耦合隔直設計電路時，有些情況下，只希望傳遞交流信號，不希望傳遞直流信號，這時候可以使用串聯(lián)電容來耦號。例如多級放大器，為了防止直流偏置相互影。
靜態(tài)工作點計算復雜，通常級間使用電容耦合，這樣每一級靜態(tài)工作點可以獨立分析。例如PCIE、SATA這樣的高速串行信號，通常也使用電容進行交流耦合。旁路濾波旁路，顧名思義就是將不需要的交流信號導入大地。濾波其實也是一個意思。在微波射頻電路中，各種濾波器的設計都需要使用電容。此外，像EMC設計，對于接口處的LED燈，都會在信號線上加一顆濾波電容，這樣可以提高ESD測試時的性。3.2鋁電解電容3.2.1鋁電解電容(濕式)鋁電解電容(濕式)無論是插件還是貼片封裝，高度都比較高，而且ESR都較高，不適合于放置于IC附近做電源去耦，通常都是用于電源電路的輸入和輸出電容。原圖來自KEMET規(guī)格書容值從規(guī)格書中獲取電容值容。
通常鋁電解電容的容差都是±20%。計算容值和容值時，各項參數(shù)要滿足設計要求。額定電壓鋁電解電容通常只適用于直流場合，設計工作電壓至少要額定電壓的80%。對于有浪涌防護的電路，其額定浪涌電壓要**防護器件(通常是TVS)的殘壓。例如，對于一些POE供電的設備，根據(jù)802.3at標準，工作電壓可達57V，那么選擇的TVS鉗位電壓有90多V，那么至少選擇額定電壓100V的鋁電解電容。此時，也只有鋁電解電容能同時滿足大容量的要求。原圖來自Littelfuse的TVS規(guī)格書耗散因數(shù)設計DCDC電路時，輸出電容的ESR影響輸出電壓紋波，因此需要知道鋁電解電容的ESR，但大多數(shù)鋁電解電容的規(guī)格書只給出了耗散因數(shù)tan。
可以根據(jù)以下公式來計算ESR：ESR=tanδ/(2πfC)例如，120Hz時，tanδ為16%，而C為220uF，則ESR約為965mΩ?？梢婁X電解電容的ESR非常大，這會導致輸出電壓紋波很大。因此，使用鋁電解電容時，需要配合使用片狀陶瓷電容，靠近DCDC芯片放置。隨著開關頻率和溫度的升高，ESR會下降。額定紋波電流電容的紋波電流，要滿足DCDC設計的輸入和輸出電容的RMS電流的需求。鋁電解電容的額定紋波電流需要根據(jù)開關頻率來修正。壽命鋁電解電容的壽命比較短，選型需要注意。而壽命是和工作溫度直接相關的，規(guī)格書通常給出產(chǎn)品溫度時的壽命，例如105℃時，壽命為2000小時。根據(jù)經(jīng)驗規(guī)律，工作溫度每下降10。
壽命乘以2。如果產(chǎn)品的設計使用壽命為3年，也就是26280小時。則10*log2(26280/2000)=37.3℃，那么設計工作溫度不能**過65℃。3.2.2聚合物鋁電解電容像Intel的CPU這樣的大功耗器件，一顆芯片80多瓦的功耗，核電流幾十到上百安，同時主頻很高，高頻成分多。這時對去耦電容的要求就很高：電容值要大，滿足大電流要求；額定RMS電流要大，滿足大電流要求；ESR要小，滿足高頻去耦要求；容值穩(wěn)定性要好；表面帖裝，高度不能太高，因為通常放置在CPU背面的BO**M層，以達到的去耦效果。這時，選擇聚合物鋁電解電容為合適。此外，對于音頻電路，通常需要用到耦合、去耦電容，由于音頻的頻率很。
所以需要用大電容，此時聚合物鋁電解電容也很合適。3.3鉭電容根據(jù)前文相關資料的來源，可以發(fā)現(xiàn)，鉭電容的主要廠商就是Kemet、湘創(chuàng)X、Vishay。鉭屬于比較稀有的金屬，因此，鉭電容會比其他類型的電容要貴一點。但是性能要比鋁電解電容要好，ESR小，損耗小，去耦效果好，漏電流小。下圖是Kemet一款固態(tài)鉭電容的參數(shù)表：截圖自Kemet規(guī)格書額定電壓固態(tài)鉭電容的工作電壓需要降額設計。正常情況工作電壓要額定電壓的50%；高溫環(huán)境或負載阻抗較低時，工作電壓要額定電壓的30%。具體降額要求應嚴格按照規(guī)格書要求。此外，還需要注意鉭電容的承受反向電壓的情況，交流成分過大，可能會導致鉭電容承受反向電。
導致鉭電容失效。固態(tài)鉭電容的主要失效模式是短路失效，會直接導致電路無法工作，甚至起火等風險。因此，需要額外注意性設計，降低失效率。對于一旦失效，就會造成重大事故的產(chǎn)品，建議不要使用固態(tài)鉭電容。額定紋波電流紋波電流流過鉭電容，由于ESR存在會導致鉭電容溫升，加上環(huán)境溫度，不要**過鉭電容的額定溫度以及相關降額設計。3.4片狀多層陶瓷電容片狀多層陶瓷電容應該是出貨量的電容，制造商也比較多，像三大日系TDK、muRata、TaiyoYuden，美系像KEMET。三大日系做的比較好的就是有相應的選型軟件，有電感、電容等所有系列的產(chǎn)品及相關參數(shù)曲線，非常全，不得不再次推薦一下：SEAT2013-TDKSimsurfing-MurataTaiyoYudenComponentsSelectionGuide&DataLibrary3.4.1ClassI電容ClassI電容應用多的是C0G電。

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