Защо MLCC измерва под номиналната си капацитет?

MLCC може да бъде маркиран с 10 µF, но LCR метърът или реалната схема могат да покажат значително по-нисък капацитет. Това не означава, че кондензаторът е дефектен, тъй като толерансът, DC наклонът, AC тестовото напрежение, честотата, температурата, стареенето и типът диелектрик могат всички да повлияят на стойността. Настройката на измерването също е важна, особено настройките на LCR метъра и компенсацията на приспособлението. Тази статия обяснява защо MLCC измерва под номиналния си капацитет и как да измервате и оценявате ефективния си капацитет правилно.

Каталог

Фигура 1. Значение на номиналния капацитет за MLCC

Какво означава номинален капацитет за MLCC?

Номиналният или номинален капацитет на MLCC е стойността на капацитета, присвоена на компонента, например 100 nF, 1 µF или 10 µF. Това е стойността, посочена в номера на частта или техническия лист и служи като справка за указаната толеранс на капацитета. Murata описва това като номиналната стойност на кондензатора. _[2]

Номиналният капацитет следователно е референтната стойност на производителя. Реално измереният или ефективният капацитет може да се различава при други условия, както е обяснено в следващите секции.

Толеранс на капацитета и вариация на началната стойност

Фигура 2. Толеранс и вариация на началната стойност

Толерансът на капацитета на MLCC определя до колко е позволено измереният капацитет да се различава от номиналната стойност, когато се тества при условията, зададени от производителя. Често срещаните кодове за толеранс включват J = ±5%, K = ±10% и M = ±20%, въпреки че по-строги толеранси като ±1% и ±2% също са налични за някои типове кондензатори. TDK изброява тези кодове за толеранс директно в своя официален каталог на MLCC. _[3]

Например, 10 µF MLCC с ±20% толеранс може да има приемлив начална капацитет между 8 µF и 12 µF. Част с 10 µF и ±10% толеранс може да варира от 9 µF до 11 µF, докато ±5% позволява 9.5 µF до 10.5 µF.

Този начален толеранс трябва да се отделя от промените, причинени от работни условия. Кондензатор, който започва под номиналния, поради своя толеранс, може да загуби допълнителен ефективен капацитет от DC наклона, температурата, стареенето или различни условия на измерване. Например, измерването на 9.2 µF от нов 10 µF ±20% MLCC не означава проблем, тъй като 9.2 µF все още попада в разрешения си начален диапазон. Следователно, преоценката на толеранса по техническия лист трябва да се провери първо, преди да се проучват други причини за по-ниския от очаквания капацитет. _[2][3]

Как DC наклонът намалява капацитета на MLCC

DC bias е постоянен ток, приложен върху кондензатора. Характеристиката на DC-bias описва как ефективната капацитивност се променя с увеличаването на това напрежение. Това поведение произтича от напрежение-зависимите диелектрични свойства на керамични материали с висока диелектрична постоянна. С увеличаването на електричното поле, приложено върху диелектрика, неговата ефективна диелектрична постоянна може да намалее, което намалява капацитета. _[1][4]

Диелектричен тип	Поведение при DC-bias	Типичен отговор при увеличаване на DC напрежение
C0G / NP0	Много малък или по същество няма	Капацитета остава относително стабилен
X5R	Настоящ	Ефективният капацитет намалява
X7R	Настоящ	Ефективният капацитет намалява
Други клас II типове	Обикновено присъства	Намалението зависи от диелектрика и дизайна на кондензатора

Бележка в таблицата: Кодът на диелектрика сам по себе си не показва точно колко капацитет ще бъде загубен.

Количеството намаление на капацитета не е идентично за всеки X5R или X7R MLCC. Характеристиката на DC-bias зависи от конкретния дизайн на кондензатора, така че кодът на диелектрика сам по себе си не може да се използва за изчисляване на останалия капацитет. Данните за характерни свойства на производителя за точния номер на частта трябва да се проверят при предвиденото работно напрежение.

Например, 10 µF X7R MLCC може да предостави съществено по-малко от 10 µF, когато се използва с приложено DC напрежение. Намалението обикновено нараства с увеличаването на приложеното напрежение, но няма универсален процент, който може да се използва за всеки 10 µF X7R кондензатор. Най-точният подход е да се провери характеристичната крива на DC-bias на производителя за точния номер на частта и да се прочете ефективният капацитет при предвиденото работно напрежение. _[1][4]

Как тестовото AC напрежение и честотата на измерване влияят на капацитета

LCR метър измерва капацитета под определено AC тестово напрежение и честота на измерване. Ако тези настройки се различават от посочените условия на производителя, измерената стойност може да не съвпада с капацитета в техническия лист. Това е особено важно, когато сравнявате измервания от различни метри или тестови настройки. _[2][4][5]

TDK дава следните общи условия за измерване на капацитета на MLCC:

Клас на MLCC / капацитет	Честота на измерване	AC тестово напрежение
Клас I, ≤ 1,000 pF	1 MHz ±10%	0.5 до 5 Vrms
Клас I, > 1,000 pF	1 kHz ±10%	0.5 до 5 Vrms
Клас II, ≤ 10 µF	1 kHz ±10%	1.0 ±0.2 Vrms
Клас II, > 10 µF	120 Hz ±20%	0.5 ±0.2 Vrms

Забележка: Общото ръководство на TDK използва 1 kHz ±10% при 1.0 ±0.2 Vrms за MLCC от клас II до и включително 10 µF и 120 Hz ±20% при 0.5 ±0.2 Vrms за MLCC от клас II над 10 µF. Точната спецификация на продукта има предимство. [5]

Импедансът на кондензатора също влияе на напрежението, предоставено от метъра. За идеален кондензатор, величината на капацитивния импеданс е:

|ZC| = 1 / (2πfC)

където f е честотата в херци, C е капацитетът в фаради и |ZC| е импедансът в ома. Тази връзка е приблизителна за работа под собствената резонансна честота на кондензатора и игнорира практически ефекти като еквивалентно серийно съпротивление (ESR) и еквивалентен серийно индуктивитет (ESL).

Например, идеален кондензатор 10 µF при 1 kHz има:

|ZC| ≈ 15.9 Ω

Този сравнително нисък импеданс може да натовари източника на LCR метъра. TDK отбелязва, че с кондензатори с висока капацитивност, ниският импеданс на кондензатора и вътрешният импеданс на метъра могат да причинят действителното AC напрежение по кондензатора да падне под избраното ниво на теста, като по този начин доведе до неочаквано ниско измерване на капацитета.

При проверка на MLCC спрямо стойността в техническия лист, използвайте посочената честота и AC тестово напрежение и уверете се, че необходимият сигнал наистина достига до кондензатора. _[5][6]

Температурни ефекти върху капацитета на MLCC

Фигура 3. Температурни ефекти върху капацитета на MLCC

Капацитетът на MLCC може да се промени, когато температурата му нараства или пада. Производителите описват това поведение, като използват код за температурна характеристика, който определя допустимото изменение на капацитета в определен температурен диапазон. Количеството и формата на това изменение зависят силно от керамичния диелектрик, използван вътре в кондензатора. _[3][7]

Код за температура	Клас	Температурен диапазон на работа	Температурен коефициент или допустимо изменение на капацитета
C0G	Клас I	−55°C до +125°C	0 ±30 ppm/°C
X5R	Клас II	−55°C до +85°C	±15%
X7R	Клас II	−55°C до +125°C	±15%

Забележка: Температурните характеристики на EIA Клас II се отнасят за 25°C. _[7]

Разликата идва основно от диелектричния материал. Клас I C0G MLCC използват керамика с температура, която компенсира капацитета, чийто капацитет се променя по малко, почти линейно, с температурата. Клас II MLCC използват високи диелектрични материали на основата на бариев титанат, чието диелектрично число се променя по-силно и нелинейно с температурата. Това позволява на Клас II кондензатори да предоставят много по-висок капацитет в малък пакет, но с по-ниска температурна стабилност. _[7][9]

Температурният код определя максимално разрешения диапазон, а не точната крива на капацитет на всеки кондензатор. Два X7R MLCC могат да отговарят на спецификацията ±15%, докато показват различни криви на капацитет спрямо температурата, тъй като производителите използват различни диелектрични формулации и вътрешни дизайни. _[3][7]

Температурата трябва също да се разглежда заедно с DC偏压. Рейтингът ±15% на X5R или X7R описва неговата температурна характеристика при указаните стандартни условия. В работния кръг, приложеното DC напрежение може да намали капацитета в същото време, така че ефективният капацитет може да падне извън това, което бихте предсказали само от температурния код. За точен дизайн, проверете температурните и DC-偏压 криви на производителя за конкретния номер на частта. _[1][2]

Стареене и дългосрочна загуба на капацитет

Фигура 4. Стареене и дългосрочна загуба на капацитет

Стареенето е постепенната загуба на капацитет, която настъпва в фероеоретични MLCC от Клас II след като керамиката се охлади под температурата на Кюри. TDK обяснява, че стареенето е естествена характеристика на фероеоретичните диелектрични материали и произтича от промени в тяхната кристална структура с времето. [8]

Намалението е приблизително логаритмично с времето. Производителите обикновено специфицират скоростта на стареене като процент от загубения капацитет на десетилетие, където едно десетилетие представлява десетократно увеличение на изминалото време, например от 10 до 100 часа или от 100 до 1,000 часа. [8]

Диелектричен тип	Поведение на стареене	Дългосрочно поведение на капацитета
C0G / NP0, Клас I	По същество без стареене	Много стабилен с времето
X5R, Клас II	Стареенето настъпва	Капацитетът постепенно намалява
X7R, Клас II	Стареенето настъпва	Капацитетът постепенно намалява
Други фероеоретични типове от Клас II	Стареенето обикновено настъпва	Скоростта на стареене зависи от диелектричната система

Таблична бележка: Скоростта на стареене обикновено се специфицира отделно и не може да бъде определена само от кода на X5R или X7R.

Стареенето е обратимо чрез де-стареене, което настъпва когато диелектричният материал се нагрява над температурата на Кюри и фероеоретичната структура се нулира. След като кондензаторът се охлади под температурата на Кюри, процесът на стареене започва отново.

Този принцип не трябва да се третира като общо указание за нагряване на непод Identification condenсатор. Всяка температура и продължителност на де-стареене трябва да произхождат от указанията на производителя за конкретния компонент или диелектрична система. Процедури като посоченото термично третиране на TDK се прилагат за продуктите и условията, обхванати от тези указания и не трябва да се приемат за универсални. _[8]

За измервания на капацитета, времето от последното квалификационно термично третиране на кондензатора може да повлияе на резултата. TDK нарича това времето на последното нагряване (TOLH). Следователно, стареенето трябва да се разглежда отделно от другите ефекти, които могат да променят измерения или ефективен капацитет. _[5][8]

Как диелектричният тип влияе на стабилността на капацитета

Диелектричният тип е един от основните фактори, които определят колко стабилен остава един MLCC, когато напрежението, температурата, времето и условията на измерване се променят. Керамичните кондензатори обикновено се разделят на клас I и клас II. Тези класове използват различни диелектрични материали и следователно се държат различно в една верига. _[9]

Характеристика	C0G / NP0	X5R	X7R
Керамичен клас	Клас I	Клас II	Клас II
Температурен диапазон	Обикновено −55°C до +125°C или по-висок, в зависимост от частта	−55°C до +85°C	−55°C до +125°C
Температурна стабилност	Много висока	±15%	±15%
DC偏压 ефект	По същество никакъв	Може да намали ефективния капацитет	Може да намали ефективния капацитет
Стареене	Всъщност няма	Наличен	Наличен
Плътност на капацитета	По-нисък	Висок	Висок
Типично приложение	Време, настройка, филтриране, съвпадение, прецизни вериги	Разграничаване, заобикаляне, изглаждане	Разграничаване, заобикаляне, изглаждане

Изберете C0G/NP0, когато точността и стабилността на капацитета са по-важни от постигането на висок капацитет в малък пакет. Изберете X5R или X7R, когато е необходима по-висока плътност на капацитета, но проверете характеристичните данни на производителя, за да потвърдите, че кондензаторът осигурява достатъчно ефективен капацитет при предвидените работни условия. X7R също поддържа по-висок температурен диапазон от X5R.

За по-подробно сравнение на диелектриците вижте нашето ръководство за разликите между кондензаторите C0G и X7R.

Настройки на LCR метър и как да измерите MLCC капацитета точно

За да бъде прочитането на капацитета сравнявано правилно с данните от каталога, измерете MLCC при зададените условия и внимателно контролирайте тестовата настройка.

1. Идентифицирайте точния MPN и ревизия на данните от каталога.

Потвърдете точния номер на частта от производителя и използвайте приложимите данни от каталога или спецификация на продукта. Не разчитайте само на общи настройки за измерване на MLCC.

Ако номерът на частта не е наличен, прегледайте как да идентифицирате непознат MLCC преди да приемете едно LCR четене за идентификация.

2. Изолирайте MLCC от паралелните вериги.

Ако кондензаторът е монтиран на PCB, други кондензатори или вериги, свързани паралелно, могат да повлияят на показанието. Изолирайте компонента, когато е необходимо измерване на индивидуалния MLCC.

3. Запишете температурата и времето на последното нагряване.

Запишете температурата на кондензатора и, за клас II MLCC, всяко съответно време на последно нагряване (TOLH), тъй като стареенето може да повлияе на капацитета.

4. Изберете зададената честота и ниво на AC теста.

Използвайте измервателната честота и AC напрежение, посочени в спецификацията на продукта. Общите условия на TDK, обсъдени в Раздел 4, трябва да се използват само когато са приложими за конкретната част.

5. Изберете подходящия режим на измерване Cp или Cs.

TDK дава правило за използване на Cp за импеданс на кондензатора над 10 kΩ и Cs за импеданс под 10 Ω. За импеданс между тези диапазони използвайте спецификацията на компонента и ръководството на инструмента, за да изберете подходящия модел на еквивалентната верига.

6. Извършете OPEN и SHORT компенсация на плоскостта на уреда.

Свържете същия уред, тестови проводници или пинсети, които ще използвате за DUT и извършете компенсация на измервателната плоскост. OPEN компенсацията коригира нежеланата паралелна проводимост, докато SHORT компенсацията коригира нежелания серийни импеданс.

7. Активирайте ALC или еквивалентно ниво на контрол.

Ако LCR метърът осигурява автоматичен контрол на нивото (ALC) или мониторинг на нивото, активирайте го, когато е необходимо. Това е особено полезно за кондензатори с висока капацитетност и нисък импеданс, които могат да натоварят източника на метра.

8. Проверете действителното Vrms на DUT.

Не предполагайте, че напрежението, избрано на метъра, е напрежението, което всъщност достига до MLCC. Проверете монитора на нивото на метъра или използвайте подходящ метод за измерване, за да потвърдите действителното AC напрежение през кондензатора.

9. Запишете капацитета и фактора на загубите.

След като тестовите условия са стабилни, запишете измерения капацитет и фактора на загубите (DF) заедно с честотата, AC напрежението, режима на еквивалентната верига, температурата и други съответстващи условия.

10 Сравнете резултата с посочената толерантност.

Сравнете измерения капацитет с номиналната стойност и толерантността на компонента, използвайки същите условия, посочени от производителя. Ако четенето е извън толеранса, първо прегледайте тестовата честота, AC нивото, Cp/Cs режима, компенсацията, действителното напрежение на DUT, температурата и условията на стареене, преди да заключите, че MLCC е дефектен.

Вземете TDK C1608X5R1A106K080AC, кондензатор MLCC с 10 µF ±10%, 10 V, X5R, 0603. Страницата с текущия продукт на TDK потвърджава тези номинални стойности и специфицира максимален фактор на загубите от 10%.

TDK също публикува лист за характеристика, датиран на 3 януари 2016 г., съдържащ DC-bias крива за този точен MPN. Листът явно посочва, че неговите характерни данни подлежат на промяна, а онлайн графиките за характеристики на TDK са идентифицирани като референтни данни, а не като гарантирани характеристики на продукта. Следователно, DC-bias кривата трябва да се третира като типично поведение, докато номиналната толерантност на капацитета и другите спецификационни ограничения остават гарантираните стойности при посочените условия на измерване.

Възпроизводимо сравнение може да бъде установено по следния начин:

Тестов елемент	Условия за възпроизвеждане / съобщена информация
Точен MPN	TDK C1608X5R1A106K080AC
Производител референция	TDK Лист за характеристика, 3 януари 2016 г.
Уред	Keysight E4980A с Опция 001, или еквивалентен прецизен LCR уред с DC-bias и способност за мониторинг на ниво
Устройство	Keysight 16034E SMD устройство, подходящо за компоненти 1.6 × 0.8 мм и съвместимо с E4980A
Статус на калибриране	Запишете текущия номер на сертификата за калибриране на уреда и датата на калибриране. TDK не разкрива статусa на калибриране на оборудването, използвано за публикуваната му крива.
Режим на еквивалентна схема	Използвайте Cs-D за това възпроизвеждане и запазете режима непроменен през цялото измерване. При 10 µF и 1 kHz идеалната реактивност е около 15.9 Ω, което попада между простите правила за Cp/Cs, така че Cs-D е деклариран избор на тест, а не твърдение за оригиналната настройка на TDK.
Честота	1 kHz ±10%, съответстваща на общото условие на TDK за MLCC от клас II до и включително 10 µF.
Командвано AC ниво	1.000 Vrms
Измерено AC ниво	Запишете фактическото Vrms на DUT на всяка стъпка на bias, използвайки нивомера или подходящ волтметър. Няма измерена стойност, докладвана тук, тъй като не е проведен независим тест на маса. TDK предупреждава, че настройката на осцилатора и действителното напрежение на DUT могат да се различават.
ALC	Включен, с наблюдаваното ниво на DUT. TDK препоръчва ALC или еквивалентно управление на нивото за точни измервания на висок капацитет MLCC.
DC-bias измерване	За възпроизводство, използвайте 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 и 10 VDC, без да надвишавате оценката от 10 V. Запишете фактическото DC ниво на всяка стъпка.
Температура	Дръжте теста на определена лабораторна температура, например 25°C, и запишете измерената температура. Публичният лист за характеристики на TDK не посочва точната температура, използвана за неговата DC-bias крива.
Време от последното нагряване	Запишете известно TOLH за пробата. Ако не е известно, съобщете TOLH неизвестен, а не предполагайте стойност. Не нагрявайте кондензатора просто за да установите нов TOLH, освен ако не се прилага одобрена от производителя процедура.
Повторяеми прочити	Направете, например, пет показания на всяка стъпка на bias след стабилизация на показанието и запазете всички сурови стойности за капацитет и DF. Публичната крива на TDK не предоставя повторяеми измервания.
Докладвани количества	На всяка стъпка на bias запишете капацитета, фактора на загубите, действителното AC Vrms, действителния DC bias, температурата и номера на прочита.
Неопределеност на измерването	Докладвайте неопределеност, изчислена за действителната настройка. Не третирайте основната точност на E4980A от 0.05% като пълна неопределеност на измерването. Включете приложимата точност на уреда, приноса на устройството, статус на калибрирането, грешка на нивото на напрежението и наблюдаваната повторяемост.

Повторяемите измервания могат да бъдат сравнени с публикуваната DC-bias характеристична крива на TDK. Не присвоявайте точна процентна загуба на капацитета, като визуално оценявате графиката. Ако са необходими числени стойности на кривата, използвайте изтегляемите от TDK характеристики или друг предоставен от производителя числов ресурс. Публикуваната DC-bias крива представлява типично/референтно поведение и самата тя не е ±10% гарантиран лимит на ефективния капацитет под DC bias.

При 0 V DC bias, измереният капацитет може да бъде сравнителен с указаната толерантност 10 µF ±10%, при условие че са спазени указаните условия на измерване. При ненулев DC bias, сравнете измерената тенденция с характеристичната крива на TDK, но запазете типичната DC-bias характеристика отделно от гарантираната номинална толерантност на капацитета.

Ако частта остава под толеранс при посочените условия на теста, прегледайте механизмите, споменати в режими на повреда на MLCC.

Референция

Murata Manufacturing Co., Ltd. “Променя ли се капацитетът, когато се приложи DC напрежение към керамични кондензатори? Има ли важни точки, на които да се обърне внимание относно промените в капацитета?”

Murata Manufacturing Co., Ltd. “Каква е причината, поради която номиналната стойност на капацитета не може да бъде получена?”

TDK Corporation. “Описание на каталожния номер на TDK MLCC.”

Murata Manufacturing Co., Ltd. “Електрическите характеристики на електростатичния капацитет.”

TDK Corporation. “Как правилно да измеря капацитета и фактора на загуби?”

TDK Corporation. “Как може измервател да предостави различно измерено напрежение от зададеното?”

Murata Manufacturing Co., Ltd. “Какви са температурните характеристики на керамичните кондензатори?”

TDK Corporation. “Какво е ‘стареене’ на MLCC?”

Murata Manufacturing Co., Ltd. “Каква е разликата в характеристиките и приложенията между високодиеlectricния тип (X5R/X6S/X7R и др.) и типа с температурна компенсация (C0G/U2J и др.)?”

TDK Corporation. “Какво е компенсация на измервателните грешки и защо е необходима?”