【干货】为什么4.7uF电容变成0.33uF？电容X5R,X7R,Y5V,COG到底什么意思？

                                                                                                   





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几年以前，经过用瓷片电容的25年多工作之后，我对它们有了新的领悟。那时我正在忙于做一个LED灯泡驱动器，当时我项目中一个RC电路的时间常数显然是有问题。




我第一个假设是：电路板上某个元件值不正确，于是我测量用作一个分压器的两只电阻，但它们都没有问题。我把电容从电路板上拆下来测量，也没有问题。为了进一步确认，我测量并装上了新电阻和新电容，给电路上电，检查发现基本运行正常，然后看更换元件是否解决了RC电路时间常数问题。但答案是否定的。
我是在自然的环境下测试电路：在外壳内，电路处于外壳内，模拟了一个屋顶照明灯的“罐子”.有时元件温度会升到100多摄氏度。虽然我重新测试RC电路的时间很短，一切仍非常烫手。
显然，我的下一个结论是：问题在于电容的温度变化。但是我自己都怀疑这个结论，因为我用的可是X7R电容，根据我的记忆，这种电容最高可工作到+125°C,变化也只有±15%.我信任我的记忆力，但是为了保险起见，我重新查看了所使用电容的数据表。
背景报告
表1给出了用于不同种类瓷片电容的字母与数字，以及它们各自的含义。表格描述了Class II和Class III两种瓷片电容。这里不谈太多细节，Class I级电容包括常见的COG（NPO）型；这种电容的体积效率不及表格中的两种电容，但是它在多变环境条件下要稳定得多，而且不会出现压电效应。相反，表格中的电容具有广泛多变的特性，它们能够扩展并承受所施加的电压，但有时会产生可听到的压电效应（蜂鸣声或振铃声）。



在给出的多种电容类型中，据我的经验，最常用的是X5R、X7R,还有Y5V.我从来没用过Y5V,因为它们在整个环境条件区间内，会表现出极大的电容量变化。
当电容公司开发产品时，他们会通过选择材料的特性，使电容能够在规定的温度区间（第一个和第二个字母），工作在确定的变化范围内（第三个字母；表1）。我正在使用的是X7R电容，它在-55°C到+125°C之间的变化不超过±15%.所以，要么我是用了一批劣质电容，要么我的电路其它部分有问题。
不是所有的X7R电容都一样
既然我的RC电路时间常数问题无法用特定温度变量来解释，就必须深入研究。看着我那支电容的容量与施加电压的数据，我惊奇的发现，电容随着设置条件的变化量是如此之大。我选择的是一只工作在12V偏压下的16V电容。数据表显示，我的4.7-μF电容在这些条件下通常是提供1.5μF的容量。现在，就完全能解释RC电路的问题了。
数据表显示，如果我把电容封装尺寸从0805增加到1206,在规定条件下的典型电容量将是3.4μF.这表明有进一步研究的必要。
我发现村田制作所和TDK公司在网站上提供了很好的工具，能够绘出不同的环境条件下的电容量变化。我对不同尺寸和额定电压的4.7μF电容做了一番研究。图1数据是取自村田的工具，针对几种不同的4.7μF瓷片电容。我同时观察了X5R和X7R两种型号，封装尺寸从0603到1812,额定电压从6.3到25V dc.首先我注意到，随着封装尺寸的增加，随所施加直流电压的电容量变化下降，并且幅度很大。


图一 本图描绘了所选4.7-μF电容上直流电压与温度变化量的关系，如图所示，随着封装尺寸的增加，电容量随施加电压的而大幅度下降。

CAPACITANCE（μF） 电容量 （μF） DC VOLTAGE （V）直流电压 （V）第二个有趣的点是，对于某个给定的封装尺寸和瓷片电容类型，电容的额定电压似乎一般没有影响。于是我估计，如将一只额定25V的电容用于12V电压，则其电容变化量要小于同样条件下的额定16V电容。看看1206封装X5R的曲线，显然额定6.3V元件的性能确实优于有较高额定电压的同类品种。
如果我们检验更大范围的电容，就会发现这种情况很常见。对于我研究的那些电容样本集，并没有展示出普通瓷片电容应有的表现。
观察到的第三个问题是：对于同样的封装，X7R电容的温度敏感度要高于X5R电容。我不知道这是否普遍适用，但是在我的实验里似乎是这样。
从图中可以看出，表2显示了X7R电容在12V偏压货款，电容量的减少量。注意，随着电容封装尺寸逐步增加到1210,电容量有着稳步的增长，但是超过这个尺寸就没有多大改变了。



选择正确的电容

在我的例子中，我为4.7μF的X7R电容选择了最小的可用封装，因为尺寸是我项目的一个考虑因素。由于本人的无知，因而假设了任何一种X7R都与其它X7R有相同的效果；而显然，情况并非如此。为使我的应用得到正确的性能，我必须采用某种更大的封装。
我真的不想用1210封装。幸运的是，我可以把所用电阻值增大5x,因而电容量减少到了1μF.
图2是几种16V、1μF X7R电容与16V、4.7μF X7R电容的电压特性图。0603的1μF电容和0805的4.7μF电容表现相同。0805和1206的1μF电容性能都略好于1210的4.7μF电容。因此，使用0805的1μF电容，我就可以保持电容体积不变，而偏压下电容只降到额定量的大约85%,而不会到30%.
但我还是困惑。我曾认为所有X7R电容都应该有着相同的电压系数，因为所用的电介质是相同的，都是X7R.所以我向一位同事，日本TDK公司的现场应用工程师克里斯？伯克特请教，他也是瓷片电容方面的专家。他解释说很多材料都能满足“X7R”资格。事实上，任何一种材料，只要能使器件满足或超过X7R温度特性（即在-55°C到+125°C范围内，变化在±15%），都可以叫做X7R.伯克特也解释说，并没有专门针对X7R电容或任何其他类型瓷片电容的电压系数规范。
这是一个关键的要点，因此我要再重复一遍。只要一个电容满足了温度系数规范，不管其电压系数多么糟糕，厂商都可以把这个电容叫做X7R电容（或者X5R,或其他任何类型）。这个事实印证了任何一位有经验电器工程师都知道的那句准则（双关语）：去读数据表！
由于厂商越来越倾向于小型元件，所以他们不得不对使用的材料作出妥协。为了用更小的尺寸获得所需要的体积效率，他们被迫接受了更糟糕的电压系数。当然，有信誉的制造商会尽量减少这种折中的副作用。
结论是，在使用小封装瓷片电容的时候（实际在使用任何元件的时候），阅读数据表都极为重要。但很遗憾，通常我们见到的数据表都很简短，几乎无法为你做决定提供任何需要的信息，所以你必须坚持让制造商给出更多的信息。
那么被我否定的Y5V电容怎么样呢？纯为好玩，我们来研究一个普通的Y5V电容。我选择的是一个4.7μF、0603封装的额定6.3V电容）我不会提制造厂商，因为它的Y5V电容并不劣于任何其他厂商的Y5V电容），并查看它在5V电压和+ 85° C下的规格。在5V电压下，典型的电容量比额定值低92.9%,或为0.33 μF.
这就对了。如果给这个6.3V的电容加5V偏压，则其电容量要比额定值小14倍。
在0V偏压+85°C时，电容量会减少68.14%,从4.7μF降至1.5μF.现在，你可能觉得，在5V偏压下，电容量会从0.33降至0.11μF.幸运的是，两个效应并没有以这种方式结合到一起。在这个特例中，室温条件下加5V偏压的电容变化要差于+85°C.
明确地说，这个电容在0V偏压下，电容量会从室温的4.7μF降到+85°C的1.5μF;而在5V偏压下，电容量会从室温的0.33μF增加到+85°C的0.39μF.这个结果应该让你信服了，真的有必要仔细查看元件规格。
着手处理细节
这次教训之后，我再也不会向同事或消费者推荐某个X7R或X5R电容了。我会向他们推荐某家供应商的某种元件，而我已经检查过该元件的数据。我也提醒消费者，在考虑制造的替代供应商时，一定要检查数据，不要遭遇我的这种问题。
你可能已经察觉到了更大的教训，那就每次都要阅读数据表，无一例外。如果数据表上没有足够的信息，要向厂商要具体的数据。也要记住，瓷片电容的命名X7R、Y5V等跟电压系数毫无关系。工程师们必须检查了数据才能知道（真正地知道）某种电容在该电压下的性能如何。最后请记住：当我们持续疯狂的追求更小尺寸时，它也成为了每天都会遇到的问题。
针对此问题小编特意整理了相关资料分享给大家。



这类参数描述了电容采用的电介质材料类别，温度特性以及误差等参数，不同的值也对应着一定的电容容量的范围。具体来说，就是：
X7R常用于容量为3300pF~0.33uF的电容，这类电容适用于滤波，耦合等场合，电介质常数比较大，当温度从0°C变化为70°C时，电容容量的变化为±15%；
Y5P与Y5V常用于容量为150pF~2nF的电容，温度范围比较宽，随着温度变化，电容容量变化范围为±10%或者+22%/-82%。
对于其他的编码与温度特性的关系，大家可以参考表4-1。例如，X5R的意思就是该电容的正常工作温度为-55°C~+85°C，对应的电容容量变化为±15%。表4-1 电容的温度与容量误差编码


下面我们仅就常用的NPO、X7R、Z5U和Y5V来介绍一下它们的性能和应用 以及采购中应注意的订货事项以引起大家的注意。不同的公司对于上述不同性能的电容器可能有不同的命名方法，这里我们引用的是AVX公司的命名方法，其他公 司的产品请参照该公司的产品手册。NPO、X7R、Z5U和Y5V的主要区别是它们的填充介质不同。在相同的体积下由于填充介质不同所组成的电容器的容量就不同，随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。所以在使用电容器时应根据电容器在电路中作用不同来选用不同的电容器。

一、NPO电容器
NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃，电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。NPO电容的漂移或滞后小于±0.05%，

相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。NPO电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同，大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。下表给出了NPO电容器可选取的容量范围。
NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容，以及高频电路中的耦合电容。

二、X7R电容器
X7R电容器被称为温度稳定型的陶瓷电容器。当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15%，需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。
X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的，它也随时间的变化而变化，大约每10年变化1%ΔC，表现为10年变化了约5%。
X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用，而且当电压变化时其容量变化是可以接受的条件下。它的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。下表给出了X7R电容器可选取的容量范围。

三、Z5U电容器
Z5U电容器称为”通用”陶瓷单片电容器。这里首先需要考虑的是使用温度范围，对于Z5U电容器主要的是它的小尺寸和低成本。对于上述三种陶瓷 单片电容起来说在相同的体积下Z5U电容器有最大的电容量。但它的电容量受环境和工作条件影响较大，它的老化率最大可达每10年下降5%。
尽管它的容量不稳定，由于它具有小体积、等效串联电感（ESL）和等效串联电阻（ESR）低、良好的频率响应，使其具有广泛的应用范围。尤其是在退耦电路的应用中。下表给出了Z5U电容器的取值范围。
Z5U电容器的其他技术指标如下:工作温度范围 +10℃ --- +85℃ 温度特性 +22% ---- -56% 介质损耗 最大 4%

四、Y5V电容器
Y5V电容器是一种有一定温度限制的通用电容器，在-30℃到85℃范围内其容量变化可达+22%到-82%。
Y5V的高介电常数允许在较小的物理尺寸下制造出高达4.7μF电容器。
Y5V电容器的取值范围如下表所示
Y5V电容器的其他技术指标如下:工作温度范围 -30℃ --- +85℃ 温度特性 +22% ---- -82% 介质损耗 最大 5%
贴片电容器命名方法可到AVX网站上找到。

NPO、X7R及Y5V电容的特性及主要用途

NPO的特性及主要用途
属1类陶瓷介质，电气性能稳定，基本上不随时间、温度、电压变化，适用于高可靠、高稳定的高额、特高频场合。
特性：
电容范围 1pF～0.1uF (1±0.2V rms 1MHz)
环境温度：-55℃～+125℃ 组别：CG
温度特性：0±30ppm/℃
损耗角正切值：15x10-4
绝缘电阻：≥10GΩ
抗电强度：2.5倍额定电压 5秒 浪涌电流：≤50毫安

X7R的特性及主要用途
属2类陶瓷介质，电气性能较稳定，随时间、温度、电压的变化，其特性变化不明显，适用于要求较高的耦合、旁路、源波电路以及10兆周以下的频率场合。
特性：
电容范围 300pF～3.3uF (1.0±0.2V rms 1KHz)
环境温度：-55℃～+125℃ 组别：2X1
温度特性：±15%
损耗角正切值：100Volts: 2.5% max
50Volts: 2.5% max
25Volts: 3.0% max
16Volts: 3.5% max
10Volts: 5.0% max
绝缘电阻：≥4GΩ或 ≥100S/C (单位：MΩ)
抗电强度：2.5倍额定电压 5秒 浪涌电流：≤50毫安

Y5V的特性及主要用途
属 2类陶瓷介质，具有很高的介电系数，能较容易做到小体积，大容量，其容量随温度变化比较明显，但成本较低。广泛应用于对容量，损耗要求不高的场合。
特性：
电容范围 1000pF～22uF (0.3V 1KHz)
环境温度：-30℃～+85℃
温度特性：±22%～-82%
损耗角正切值：50Volts: 3.5%
25Volts: 5.0%
16Volts: 7.0%
绝缘电阻：≥4GΩ或 ≥100S/C (单位：MΩ)
抗电强度：2.5倍额定电压 5秒 浪涌电流：≤50毫安




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