為什麼你的4.7uF電容變成0.33uF ,真是不可思議!

幾年以前，經過用瓷片電容的25年多工作之後，我對它們有了新的領悟。那時我正在忙於做一個LED燈泡驅動器，當時我項目中一個RC電路的時間常數顯然是有問題。

我第一個假設是：電路板上某個元件值不正確，於是我測量用作一個分壓器的兩隻電阻，但它們都沒有問題。我把電容從電路板上拆下來測量，也沒有問題。為了進一步確認，我測量並裝上了新電阻和新電容，給電路上電，檢查發現基本運行正常，然後看更換元件是否解決了RC電路時間常數問題。但答案是否定的。

我是在自然的環境下測試電路：在外殼內，電路處於外殼內，模擬了一個屋頂照明燈的「罐子」，有時元件溫度會升到100多攝氏度。雖然我重新測試RC電路的時間很短，一切仍非常燙手。

顯然，我的下一個結論是：問題在於電容的溫度變化。但是我自己都懷疑這個結論，因為我用的可是X7R電容，根據我的記憶，這種電容最高可工作到+125°C,變化也只有±15%.我信任我的記憶力，但是為了保險起見，我重新查看了所使用電容的數據表。

背景報告

表1給出了用於不同種類瓷片電容的字母與數字，以及它們各自的含義。表格描述了Class II和Class III兩種瓷片電容。這裡不談太多細節，Class I級電容包括常見的COG（NPO）型；

這種電容的體積效率不及表格中的兩種電容，但是它在多變環境條件下要穩定得多，而且不會出現壓電效應。相反，表格中的電容具有廣泛多變的特性，它們能夠擴展並承受所施加的電壓，但有時會產生可聽到的壓電效應（蜂鳴聲或振鈴聲）。

在給出的多種電容類型中，據我的經驗，最常用的是X5R、X7R,還有Y5V。我從來沒用過Y5V,因為它們在整個環境條件區間內，會表現出極大的電容量變化。

當電容公司開發產品時，他們會通過選擇材料的特性，使電容能夠在規定的溫度區間（第一個和第二個字母），工作在確定的變化範圍內（第三個字母；表1）。我正在使用的是X7R電容，它在-55°C到+125°C之間的變化不超過±15%。所以，要麼我是用了一批劣質電容，要麼我的電路其它部分有問題。

不是所有的X7R電容都一樣

既然我的RC電路時間常數問題無法用特定溫度變量來解釋，就必須深入研究。看著我那支電容的容量與施加電壓的數據，我驚奇的發現，電容隨著設置條件的變化量是如此之大。我選擇的是一隻工作在12V偏壓下的16V電容。數據表顯示，我的4.7-μF電容在這些條件下通常是提供1.5μF的容量。現在，就完全能解釋RC電路的問題了。

數據表顯示，如果我把電容封裝尺寸從0805增加到1206,在規定條件下的典型電容量將是3.4μF。這表明有進一步研究的必要。

我發現村田製作所和TDK公司在網站上提供了很好的工具，能夠繪出不同的環境條件下的電容量變化。我對不同尺寸和額定電壓的4.7μF電容做了一番研究。圖1數據是取自村田的工具，針對幾種不同的4.7μF瓷片電容。我同時觀察了X5R和X7R兩種型號，封裝尺寸從0603到1812,額定電壓從6.3到25V dc.首先我注意到，隨著封裝尺寸的增加，隨所施加直流電壓的電容量變化下降，並且幅度很大。

圖一 本圖描繪了所選4.7μF電容上直流電壓與溫度變化量的關係，如圖所示，隨著封裝尺寸的增加，電容量隨施加電壓的而大幅度下降。

CAPACITANCE（μF） 電容量 （μF） DC VOLTAGE （V）直流電壓 （V）

第二個有趣的點是，對於某個給定的封裝尺寸和瓷片電容類型，電容的額定電壓似乎一般沒有影響。

於是我估計，如將一隻額定25V的電容用於12V電壓，則其電容變化量要小於同樣條件下的額定16V電容。看看1206封裝X5R的曲線，顯然額定6.3V元件的性能確實優於有較高額定電壓的同類品種。

如果我們檢驗更大範圍的電容，就會發現這種情況很常見。對於我研究的那些電容樣本集，並沒有展示出普通瓷片電容應有的表現。

觀察到的第三個問題是：對於同樣的封裝，X7R電容的溫度敏感度要高於X5R電容。我不知道這是否普遍適用，但是在我的實驗裡似乎是這樣。

從圖中可以看出，表2顯示了X7R電容在12V偏壓電容量的減少量。注意，隨著電容封裝尺寸逐步增加到1210,電容量有著穩步的增長，但是超過這個尺寸就沒有多大改變了。

選擇正確的電容

在我的例子中，我為4.7μF的X7R電容選擇了最小的可用封裝，因為尺寸是我項目的一個考慮因素。由於本人的無知，因而假設了任何一種X7R都與其它X7R有相同的效果；而顯然，情況並非如此。為使我的應用得到正確的性能，我必須採用某種更大的封裝。

我真的不想用1210封裝。幸運的是，我可以把所用電阻值增大5x,因而電容量減少到了1μF.

圖2是幾種16V、1μF X7R電容與16V、4.7μF X7R電容的電壓特性圖。0603的1μF電容和0805的4.7μF電容表現相同。0805和1206的1μF電容性能都略好於1210的4.7μF電容。因此，使用0805的1μF電容，我就可以保持電容體積不變，而偏壓下電容只降到額定量的大約85%,而不會到30%.

但我還是困惑。我曾認為所有X7R電容都應該有著相同的電壓係數，因為所用的電介質是相同的，都是X7R.所以我向一位同事，日本TDK公司的現場應用工程師克裡斯伯克特請教，他也是瓷片電容方面的專家。

他解釋說很多材料都能滿足「X7R」資格。事實上，任何一種材料，只要能使器件滿足或超過X7R溫度特性（即在-55°C到+125°C範圍內，變化在±15%），都可以叫做X7R。伯克特也解釋說，並沒有專門針對X7R電容或任何其他類型瓷片電容的電壓係數規範。

這是一個關鍵的要點，因此我要再重複一遍。只要一個電容滿足了溫度係數規範，不管其電壓係數多麼糟糕，廠商都可以把這個電容叫做X7R電容（或者X5R,或其他任何類型）。這個事實印證了任何一位有經驗電器工程師都知道的那句準則（雙關語）：去讀數據表！

由於廠商越來越傾向於小型元件，所以他們不得不對使用的材料作出妥協。為了用更小的尺寸獲得所需要的體積效率，他們被迫接受了更糟糕的電壓係數。當然，有信譽的製造商會儘量減少這種折中的副作用。

結論是，在使用小封裝瓷片電容的時候（實際在使用任何元件的時候），閱讀數據表都極為重要。但很遺憾，通常我們見到的數據表都很簡短，幾乎無法為你做決定提供任何需要的信息，所以你必須堅持讓製造商給出更多的信息。

那麼被我否定的Y5V電容怎麼樣呢？純為好玩，我們來研究一個普通的Y5V電容。我選擇的是一個4.7μF、0603封裝的額定6.3V電容）我不會提製造廠商，因為它的Y5V電容並不劣於任何其他廠商的Y5V電容），並查看它在5V電壓和+ 85° C下的規格。在5V電壓下，典型的電容量比額定值低92.9%,或為0.33 μF.

這就對了。如果給這個6.3V的電容加5V偏壓，則其電容量要比額定值小14倍。

在0V偏壓+85°C時，電容量會減少68.14%,從4.7μF降至1.5μF.現在，你可能覺得，在5V偏壓下，電容量會從0.33降至0.11μF.幸運的是，兩個效應並沒有以這種方式結合到一起。在這個特例中，室溫條件下加5V偏壓的電容變化要差於+85°C.

明確地說，這個電容在0V偏壓下，電容量會從室溫的4.7μF降到+85°C的1.5μF;而在5V偏壓下，電容量會從室溫的0.33μF增加到+85°C的0.39μF.這個結果應該讓你信服了，真的有必要仔細查看元件規格。

著手處理細節

這次教訓之後，我再也不會向同事或消費者推薦某個X7R或X5R電容了。我會向他們推薦某家供應商的某種元件，而我已經檢查過該元件的數據。我也提醒消費者，在考慮製造的替代供應商時，一定要檢查數據，不要遭遇我的這種問題。

你可能已經察覺到了更大的教訓，那就每次都要閱讀數據表，無一例外。如果數據表上沒有足夠的信息，要向廠商要具體的數據。也要記住，瓷片電容的命名X7R、Y5V等跟電壓係數毫無關係。工程師們必須檢查了數據才能知道（真正地知道）某種電容在該電壓下的性能如何。

最後請記住：當我們持續瘋狂的追求更小尺寸時，它也成為了每天都會遇到的問題。

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