Пленочные чип конденсаторы vs керамические конденсаторы

Пленочные чип конденсаторы необоснованно получили свое забвение уступив место бюджетным керамическим (MLCC) конденсаторам сери X7R, X5R, Y5R и др.

Попробуем восстановить статус-кво пленочных конденсаторов, описав их преимущества в сравнении с керамическими конденсаторами и побудить инженеров-электронщиков к более активному применению пленочных чип конденсаторов Panasonic.

Пленочные конденсаторы в чип корпусах, как и керамические (MLCC) конденсаторы, имеют многослойную структуру. Несмотря на схожую структуру пленочных конденсаторов с керамическими, пленочные конденсаторы обладают рядом преимуществ в сравнении с последними.

Рисунок 1. Структура пленочного чип конденсатора

Пленочные чип конденсаторы Panasonic изготавливаются на основе диэлектриков Полифениленсульфид (Polyphenylene sulfide (PPS)), Полиэтиленнафталат (Polyethylene naphthalate (PEN)) или Акрилового пластика (Acrylic resin).

Компания Panasonic предлагает 6 серий пленочных чип конденсаторов. В серии ECHU(X), ECHU(C) применен PPS материал, в сериях ECWU(X), ECWU(C), ECWU(V16) – PEN, и в серии ECPU(A) используется акриловый пластик.

Керамические конденсаторы в сравнении с пленочными конденсаторами имеют бОльшую удельную емкость, но в силу свойств бюджетной керамики, и наличия паразитных эффектов, таких как эффект DC-Bias (зависимость емкости от приложенного напряжения), зависимость емкости от температуры, которые нивелируют это преимущество. Принимая это во внимание, пленочные конденсаторы, обладающие меньшей удельной емкостью, но стабильной во всем диапазоне температур и рабочих напряжений, в ряде случаев могут конкурировать с MLCC.

Рисунок 2. Эффект DC-Bias (зависимость емкости от приложенного напряжения) керамического конденсатора

Рисунок 3. Зависимость емкости от температуры MLCC и пленочного конденсатора

Есть и еще один фактор, ограничивающий более широкое применение пленочных чип конденсаторов Panasonic, их рабочие напряжения не превышают 630 вольт прямого тока (VDC), в то время как керамические чип конденсаторы, представленные на рынке, имеют рабочие напряжения в единицы киловольт. Однако эффект DC-Bias и высокий коэффициент абсорбции керамических конденсаторов, в ряде случаев вызывают ограничения по их применению, особенно в высоковольтных цепях.

Рисунок 4. Диэлектрическая абсорбция пленочных и керамического конденсатора

Поэтому, применение пленочных чип конденсаторов в высоковольтных цепях полностью себя оправдывает, а их способность самовосстановления позволяет обеспечить максимальные уровни защиты высоковольтных цепей.

Рисунок 5. Тангенс угла потерь керамического и пленочного конденсатора

Отменные частотные характеристики пленочных конденсаторов обеспечиваются применением материалов, обладающих малым фактором рассеяния (Dissipation Factor) и малым тангенсом угла потерь, позволяющие сохранять основные характеристики в диапазоне частот до 10 МГц.

Рисунок 6. Зависимость импеданса пленочных конденсаторов от частоты

Стабильные частотные характеристики пленочных конденсаторов обеспечивают меньшие уровни искажения третьих гармоник, уменьшают уровни шума в широкой полосе частот и соответственно обеспечивают более высокую стабильность работы схемы.

Рисунок 7. Уровень искажения третьих гармоник керамического и пленочного конденсатора

Пленочные чип конденсаторы практически не заменимы в цепях ФАПЧ, так как имеют преимущества перед керамическими конденсаторами, в силу отсутствия пьезоэлектрического эффекта, не создают шум, они не поляризованы и как результат приводят к более быстрому времени блокировки сигнала (lockup time).

Рисунок 8. Время закрытия конденсаторов

Проблема пьезоэффекта, чувствительность к вибрациям, и механическая прочность керамических конденсаторов, может стать сильной «головной болью» разработчиков электроники. Обнаружить пьезоэффект и устранить проблему бывает не очень легко, а определить внутренне механическое повреждение керамического конденсатора, без применения специального оборудования невозможно. Причем механические повреждения керамических конденсаторов могут возникнуть как в ходе производства, транспортировки, так и в ходе пайки печатной платы и подготовки устройств к серийному выпуску.

Рисунок 9. Рентгеновский снимок дефекта керамического конденсатора

По данным исследовательского центра Eptac 30% выходящих из строя в процессе эксплуатации компонентов являются конденсаторы. При этом около 34% брака керамических конденсаторов отсеивается уже на производстве, около 25% керамических конденсаторов выходят из строя при механическом воздействии на конденсатор, 23% конденсаторов теряют свои функции в процессе пайки.

Мероприятия по дополнительному входному контролю конденсаторов и выходному контролю готовых плат или серийно выпускаемых устройств, а также сервисное обслуживание готовых устройств несут дополнительные временные и финансовые затраты, которые зачастую не учитываются при расчете стоимости комплектующих и могут составлять в разы более высокие фактические затраты.

Рисунок 10. Пьезоэффект керамических конденсаторов

Многие керамические материалы, используемые в качестве диэлектрика в бюджетных конденсаторах, включают титанат бария (BaTiOз), обладающий высокой диэлектрической проницаемостью и могут генерировать напряжение (проявлять пьезоэффект) при механических деформациях или акустических шумах. Многослойная структура пленочных чип конденсаторов Panasonic включают в себя слои алюминиевой фольги с прослойками диэлектрика из Полифениленсульфида, Полиэтиленнафталата или Акрилового пластика, исключающих пьезоэффект.

Рисунок 11. Ударные шумы (пьезоэффект) керамического конденсатора

Так, например, применение пленочных конденсаторов в аудиотрактах, является абсолютно оправданным. Пленочные конденсаторы обладают низкими гармоническими искажениями (Total Harmonic Distortion (THD)) и низкими уровнями шумов звукового диапазона, в сравнении с керамическими конденсаторами, что позволяет достигнуть высочайшего уровня звука аудиоустройств и применять пленочные конденсаторы в высококачественных устройствах класса D.

Рисунок 12. Шум керамического конденсатора в цепях переменного тока.

Рисунок 13. Уровень общих гармонических искажений конденсаторов (THD)

Уровень последовательно сопротивления (ESR) пленочных чип конденсаторов сопоставим с ESR керамических конденсаторов, что в свою очередь определяет допустимые значения тока пульсации и ограничения, связанные с тепловыделением конденсаторов. Взаимосвязанные с этим сроки жизни конденсаторов, позволяют смело утверждать о высокой надежности и длительном сроке жизни пленочных конденсаторов.

Срок жизни пленочных конденсаторов рассчитывается по формуле:

В качестве примера сделаем расчет времени жизни пленочного конденсатор используя следующие параметры:

• Vs = 60% номинального напряжения, при температуре 65°C
• Vo = 1.4Vs, при 85°C, время тестирования 1000 часов

В результате полученных расчетов срок жизни пленочного конденсатора при температуре 65°C, составляет более 150 000 часов. Полученные расчеты показывают, что пленочные конденсаторы Panasonic при достаточно жестких условиях эксплуатации, способны обеспечить надежную работу устройства в течение 17 лет.

Конечно, пленочные конденсаторы не могут в полной мере заменить керамические конденсаторы, в том числе и в силу разницы удельной емкости. Но во многих случаях, таких как, фильтрация пульсаций в DC/DC преобразователях, цепи сопряжения аудио трактов, ФАПЧ схемы высокочастотных трактов, схемs фильтрации и др., применение пленочных конденсаторов полностью обосновано.

Обладая высокой точностью, низкими токами утечки, высоким сопротивлением изоляции, низкой величиной абсорбции, высокой температурной стабильностью, пленочные конденсаторы могут применяются во времязадающих цепях, устройствах выборки и хранения или в системах с низким энергопотреблением.

Пленочные конденсаторы превосходят керамические конденсаторы по надежности, стабильности характеристик в широком частотном, температурном диапазоне и сохраняют свои свойства на протяжении всего срока жизни, что позволяет создавать высоконадежные устройства с гарантированно большим сроком эксплуатации, что особенно важно в ряде промышленных применений.

Доступность:

Пленочные чип конденсаторы Panasonic серий ECHU(X), ECHU(C), ECWU(X), ECWU(C), ECWU(V16), ECPU(A) находятся в массовом производстве и доступны для заказа с короткими сроками поставок.

Ресурсы:

	Описание ECWU(V16)
	Описание ECHU(X)
	Описание ECHU(C)
	Описание ECWU(X)
	Описание ECWU(C)
	Описание ECPU(A)
	Каталог пленочных конденсаторов Panasonic 2019
	Техническое руководство пленочные конденсаторы Panasonic
	Основные причины выхода из строя керамических конденсаторов
	В помощь разработчику
	Заказать пленочные конденсаторы Panasonic