MLCC(贴片多层陶瓷电容)严重缺货的今天,寻遍大半世界找不着一颗料,是颇令采购抓狂的事情。眼见这股缺货潮越演越烈,而你却无力抵抗?



当你读到这篇文章时,正是 MLCC 持续缺货的 2018 年。你要么可能正在发愁:下单采购的 MLCC 几时才能出货?要么已经对你最满意的分销商给出的交货期爆了粗口。没错,MLCC 行业正在经历的产能危机,让我们仿佛又回到了 1999-2000 年的“.Com”时期(指大约从 1995 年开始至 2001 年间的发生在美国的、对所谓“.com”类公司的过度投资产生投机、进而引发泡沫的历史事件)。尽管 MLCC 制造商们正在新增产能(行动上似乎没有口头上的那么给力),但一段较长时间还是可预期的,市场的短缺才会得到缓解,因此,“正在投产”并不能给那些处理断线问题的工程师,以及那些不得不去讨料、借料甚至偷零件的供应链经理带来丝毫安慰。


这个时机恰好促使研发和器件工程师们去探索新的选择,探寻不必做大规模重新设计的替代方案。KEMET(基美电子)的 KO-CAP(聚合物钽电容)正是 Mr. RIGHT。只要条件允许,它就能够让你的问题迎刃而解。选择 KO-CAP 作为替代虽然不是小菜一碟,信手拈来的事情,但把电容本身和电路中一些参数结合起来考虑,你就会发现事情并非那么复杂。

 

KO-CAP(聚合物钽电容)入门指南
我们先来了解一下它的基本情况。 KO-CAP 是 KEMET(基美)生产的聚合物钽电容。和其它类别的钽电容(比如黄色的二氧化锰钽电容, 密封包装的液态钽电容)一样,它的介质层(五氧化二钽)是生成在由钽粉颗粒烧结而成的金属块上,同时以一层导电聚合物作为负极覆盖在介质层表面。这种导电聚合物最大的优点之一就是是使得电容的 ESR(等效串联电阻)比传统的钽电容低得多 (5~20mohms vs 200~2000 mohms)。


从 MLCC 到 KO-CAP
说实话,我也(曾)是一名工程师,当我在寻找合适的 MLCC 时,厂家推销给我的黄色钽电容(一般就是二氧化锰)并不能令我满意。工程师的本职工作是解决问题,那意味着要面对很多的突发问题。决定放弃 MLCC,改用 KO-CAP,正如设计中的其他任何问题一样,都需要考虑到各种因素,并权衡利弊。如果要替换零件,必须考虑到很多关键设计参数,比如:容值、电压、ESR(等效串联电阻)、频率、漏电流、尺寸和应用环境条件。


下面的流程图直观地告诉你哪些参数的哪些合适范围内可以考虑用聚合物钽电容来替换陶瓷电容。

 

 

容值
与相似尺寸或同尺寸的陶瓷电容相比,一般 KO-CAP 的容值会更大一些,且容值不会在加上直流偏压以后下降。KO-CAP 的容值最小也在 680nF (0.68uf) 以上。如果你的总电容量 (若干颗并联,且考虑 X7R/X5R/X6S 等二类陶瓷电容的直流偏压特性)小于这个值,选用 KO-CAP 并不合适。单单就容值角度出发,用 1~2 颗聚合物电容替换一组由若干 MLCC 并联而成的 MLCC bank 是非常值得考虑的。


电压
KEMET 的聚合物钽电容的额定电压最大是 75V, 故若你的电路中实际的工作电压超过了 50V, 就不用考虑用其来替换 MLCC 了。包括聚合物钽电容在内,所有钽电容门类的介质层都是非常的薄,一般也就在 20nm 左右(d), 若此薄的介质层使得它们可以有比较大的容值 (C=K*A/d)的同时,也决定了它们的电压不会太高。额定电压 35V 以上的聚合物钽电容就会被归类成“高压”。同时聚合物钽电容推荐 10% 的电压降额。


ESR(等效串联电阻)
一般而言,陶瓷电容的 ESR 比等同 (同尺寸、容值、电压)的 KO-CAP 要低。这并不是说没有超低 ESR 的聚合物钽电容,部分 KO-CAP 的 ESR 甚至低至 8mΩ。通常情况下,我们会以 10mOhms 为界,若您需要的 ESR 小于 10mohms, 选择 KO-CAP 替换 MLCC 就可能不太合适了(从成本角度方面考虑)。


频率
关于聚合物钽电容的频率特性,自谐频率是一个需要注意的参数(大致在 1MHz),通常建议电容在自谐频点以下,当然也并非总是如此。如果你的电源管理 IC 开关频率超过了 1MHZ,用聚合物钽电容替换 MLCC 也就不是太合适了。


反向偏置电压
聚合物钽电容是极性元器件,因此,它们一般不能承受反向电压()EMET 建议不超过额定电压的 15%)。如果在电路板上所处的位置需要加载比较大的反向电压,那就不太合适选择 KO-CAP 了。

 

替换实例
在了解了以上的替换指导原则后,现在我们来看一个具体例子,在这个实际的某车载应用中,使用了 TI TSP54560B-Q1 这个 DC/DC Converter。



作为一名硬件工程师,我设计了上面的电路,一切都很完美。直到采购人员告诉我,他们买不到需要的 MLCC。抱怨他们也解决不了问题,那咱们硬件工程师试试按照上面的指导原则用聚合物钽电容来替换 MLCC 来从技术角度上解决这个问题。


输入端
输入端电容器为:C1、C2、C3 和 C10,加入 MLCC 的规格是 2.2uF 50V 1206 X7R,结果找不到一个换一个 PIN-2-PIN 的聚合物钽电容,但可用 1 个 10uF 35V 的 KO-CAP (T598V106M035ATE120)替换这 4 个总容量为 8.8uf 陶瓷电容,这比我们最初设计所需的容值要高,但仍然在这个调节器要求的范围以内,在输入端只要不是电池供电,电容的 ESR、漏电流和频率不要考虑。我们用模拟工具 K-SIM 来展示他们的功能对比测试——

 


接着我们计算一下,这样替换划不划算。4 个 MLCC 的总成本是 4.16 美元,1 个 KO-CAP 的成本是 3.10 美元,用一个 KO-CAP 代替这 4 个 MLCC,居然可以节省 1 美元多点。



输出端
输入端电容器有 C6 C7 C9 和 C11,假如所选规格为 22 uf _10V_ X7R_1206。很幸运,KO-CAP 有可以直接替代的型号。它的耐压值是 6.3V,完全可以工作在 5Vdc 下。虽然 KO-CAP 的 ESR 比同等容量的陶瓷电容要高,仍在设计范围以内。电路的开关频率为 300kHz,而聚合物电容的的自谐振平率在 1MHz 左右,这样也就没有问题了。