Power Integrity - 電容MLCC簡介和選擇

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       Take-away: 

  1. MLCC壞掉會短路，務必注意『額定電壓』&『溫度特性』。
  2. 『操作DC電壓』越接近電容『額定電壓』，容值越小。
  3. 電容尺寸越小，寄生電感越小，但容值上限也小。
  4. 高頻(20M~200MHz)可採用小尺寸MLCC電容(0201)、中頻(2M~20MHz)中尺寸MLCC電容(0402)、中低頻(0.1M~2MHz)中大尺寸MLCC電容(0603/0805)。

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電容在電路板可做為『高頻率波器』、『訊號bypass路徑』、『電源穩壓』...等
本篇文章簡介『電源穩壓用』之『多層陶瓷電容』MLCC(multi-layer-ceramic-chip)，並採用MLCC大廠murata作為範例電容，murata網站連結。

如何選擇MLCC?『不能壞』『額定電壓』

某些種類電容壞掉時是開路，只會造成電性效能降低。 
但MLCC壞掉是短路，此時已經不是效能差而已，是會對元件造成不可逆的損壞。
所以選擇MLCC第一步就是『不能壞』。
假如電源長時間操作在『95度C』、『5V』，那麼我們選用的電容一定要
    MLCC參數中的『額定電壓』一定要大於5V，如選用6.3V or 10V。
    MLCC參數中的『溫度特性』高溫範圍一定要大於95C，例如選用X6S or X7R。

『溫度特性』X7R

EIA協會定義代號來描述MLCC溫度特性。
例如X7R，第一碼X表低溫至-55度C，第二碼7表高溫至125度C，第三碼R表容值±15%。
例如Y5S，第一碼Y表低溫至-30度C，第二碼5表高溫至85度C，第三碼S表容值±22%。
完整代碼表請見連結中的Table2。
我們可依據系統操作溫度來選擇對應MLCC，通常越高溫會讓容值下降，造成電性表現變差。MLCC容值變化vs溫度是個非線性關係，例如90度時電容下降5%、100度時電容下降8%。各家電容廠商的溫度vs容值曲線都會不同，但各家廠商能保證的是在操作溫度內，容值變異量要在EIA規範內，例如X7R就是125度C時電容下降要保證在15%內。

『溫度特性』C0G

MLCC溫度特性中，代號C0G是個特別的類別(屬於EIA Class-I)，此種MLCC容值變化vs溫度有著非常線性且穩定的特質，穩定到可以拿來當溫度sensor。C0G比較少拿來當電源穩壓用，所以此文章就不深入解說。

NOTE: MLCC壞掉會短路，務必注意『額定電壓』&『溫度特性』。

『額定電壓』容值 vs 操作DC電壓

確認操作電壓在額定電壓內後，這邊更進一步討論DC電壓的影響。
MLCC容值會隨著DC電壓不同而改變。DC電壓增加 = > 容值變小。
在靠近額定電壓時，實際容值會變得非常小。

例如額定電壓為16v的1uF電容
    操作在DC 0.6V下，容值有1uF
    操作在DC 10.0V下，容值只剩下0.25uF(如下圖減少75%)。
詳細偏壓vs容值，可到murata網站查詢。

所以一般不會選擇額定電壓剛好等於操作電壓，而是故意選擇額定電壓大些的電容。
例如欲操作在3.3v系統，可選用額定電壓10v電容，會比額定電壓4v電容好得多(下圖綠線為10v)。

NOTE: 『操作DC電壓』越接近電容『額定電壓』，容值越小。

『電容物理尺寸』0402/0805

電容尺寸也是由EIA協會規範，常見代號為0402/0603/0805，數字越大代表電容尺寸越大顆。
例如0402代表電容長0.04inch、寬0.02inch。
例如0603代表電容長0.06inch、寬0.03inch。
詳細尺寸建議看各廠商規格書murata網站。
板子上能多少空間給電容是決定電容尺寸的重要參數，例如單面上件/雙面上件/手機產品/伺服器產品...等等，越小的產品(例如手錶)要選的電容尺寸當然是越小越好。

『尺寸0201有1uF，尺寸0805也有1uF，那可把0201直接換成0805嗎?』

電性上，電容物理尺寸和穩壓表現有非常大的關連。
通常電容尺寸越小，寄生電感(ESL)就越小。
例如一樣是1uF的電容，0805的寄生電感會比0201大得多(如下圖綠線為0805)。
所以0805在高頻穩壓表現上會比0201差很多，無法直接替換。
詳細電容ESL值，可到murata網站查詢。

『尺寸vs容值vsESL』

如上述，同容值下，小尺寸0201的寄生電感ESL較小，高頻表現較好。
那我們是不是永遠選用0201電容就好了呢?
如果問題那麼單純的話，工程師們就要失業了。

小尺寸電容，寄生電感ESL雖小，但容值C通常不大。
例如小顆的0201-X6S最大容值只能到4.7uF，而稍微大顆一些的0402-X6S最大容值能到22uF。

由穩壓觀點上，
    我們希望容值C大 => 需要大顆尺寸MLCC
    我們希望寄生電容ESL小 => 需要小顆尺寸MLCC
可看到兩者需要的尺寸是衝突的，工程師的任務便是在不同應用中找出合適的電容。
一般來說，電源系統中會有不同尺寸電容混著用，來達到最佳穩壓效果。

NOTE: 電容尺寸越小，寄生電感越小，但容值上限也小。

『根據PDN頻域Z參數選用電容』

由筆者文章Power Integrity - PDN頻域Z參數解析介紹，穩定的電源需要各頻段的Z都控制好。
一般電源系統中，電容都會不同尺寸都採用，讓不同尺寸/容值負責不同頻段。
例如
    超高頻(>200MHz)由晶片中Cdie負責
    高頻(20M~200MHz)建議採用小尺寸MLCC電容(0201)
    中頻(2M~20MHz)建議採用中尺寸MLCC電容(0402)
    中低頻(0.1M~2MHz)建議採用中大尺寸MLCC電容(0603/0805)

NOTE: 高頻(20M~200MHz)可採用小尺寸MLCC電容(0201)、中頻(2M~20MHz)中尺寸MLCC電容(0402)、中低頻(0.1M~2MHz)中大尺寸MLCC電容(0603/0805)。


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