由于薄膜电容以下特点,输入滤波电路中经常会用到薄膜电容:

01

薄膜电容对比其他类型的电容的优势

  1. 更低的寄生效应,

  2. 在温度和频率上表现出非常稳定

  3. 耐高纹波电流能力

  4. 自修复特性

图 1 薄膜电容结构(图片来源于YageoR46系列数据手册
当有强制性的特殊安全要求时,该特性保证了整个产品工艺链的高可靠性。其他技术虽然也可以制造可靠的电容。但在制造后,如在PCB或设备安装过程中,可能会出现其他问题。此外,薄膜电容器的故障模式是容值下降或开路模式,这使得它们非常适合需要安全和可靠性的场合。
然而,不同电介质材料的薄膜电容的特性,也会有所不同。比较全面不同介质类型的薄膜电容,其耐温表现以及高频应用下的表现都不一样。了解每种薄膜材料的优缺点,才能更好地找到适合项目的薄膜电容。

02

薄膜电容四种常见电介质材料对比

薄膜电容,常见的4种电介质材料:
简写
英文名
中文名
PET
Polyethylene Terephthalate
聚对苯二甲酸乙二醇酯
PEN
Polyethylene Naphthalate
聚萘二甲酸乙二酯
PPS
Polyphenylene Sulfide
聚苯硫醚
PP
Polypropylene Metallized
金属化聚丙烯

 

03

Digi-Key介电材料选择

在Digi-Key网站,可以根据产品的介电材料来选择合适的薄膜电容

1

四种电介质材料特性对比:

材料 
属性
PP
PET
PEN
PPS
优势
在特定温度频率范围内,高电流、高电压稳定性
高容值密度
高工作温度
高容值密度高工作温度
非常稳定
精密公差高
工作温度
限制
高温不适合
高频率不适合
高频率不适合
高成本
应用
交直流高功率脉冲X&Y EMI抑制
直流和交流低功率
旁路、隔离
耦合与去耦
定时和滤波器
直流低功率旁路、隔离耦合与去耦定时和滤波器
直流低功率高温
定时,过滤器振荡电路
(资料来源于Yageo)

2

四种电介质材料属性数对比:

属性
PP
PET
PEN
PPS
介电常数(1kHz)
2.2
3.3
3
3
商业最小厚度(um)
1.9
0.7
1.4
1.2
DF(%在1kHz时)
0.02
0.45
0.33
0.05
Tcc(Dc/c)-55°C to +125°℃
+1,-3%
-5,+12%
-2,+3%
±1%
最低温度(°c)
-55
-55
-55
55
典型最高温度(℃)
105
125
125
125
最大延伸温度(c)
125
150
200
20o
介电击穿(v/um)
400
280
300
220
熔化温度(c)
178
254
266
283
回流和多次回流
不适用
245
245-255
260
自恢复
中-低
典型工作电压 V/um
60-220
50-70
50-70
13-50
最大 DC 电压
2000
1000
250
100

(资料来源于Yageo)

根据这个表格,可能会发现PET或许是电压、温度和介电常数最佳组合的材料。同时PET也是最常见的薄膜电容介电材料,耐高低温,我们也称他们为涤纶电容(Polyester Capacitor)

3

容值随温度频率的变化:

薄膜电容的容值受温度的影响。根据用作电介质的塑料膜的类型,容值得变化率会有所不同。
使用PPS,容值几乎不会发生变化。
对于PET,这种变化的特征是正温度系数,
而对于PP,则是负温度系数。

图 3  不同材料薄膜电容,容值随温度频率变化 (图片来源于TDK)
也有复合电容器使用具有相反热系数的材料组合来稳定电容。电容也会根据频率而变化,如下图所示。PPS的一个特点是它的热特性和频率特性都很好。
 

4

tanδ随温度频率的变化:

tanδ反应的是电容电介质内单位体积中能量损耗的大小,tanδ越小,说明薄膜电容的品质越好。
如何计算tanδ
电容等效串联电阻(ESR)是一个很重要的参数, 我们可以通过物料损耗角(δ)的相关信息来计算ESR值。
电容的总复阻抗在实-复数平面上表示为实数分量(ESR)和复数(无功)分量的矢量和,用以表示“理想”电容(ESR等元素在所有实际分量中均混合使用)。总阻抗与其复数分量之间的角称为“损耗角” (即tanδ ),该数值用于概括电容总阻抗的理想和非理想分量之间的比值。

根据tanδ,我们可以通过下面公式计算出计算电容ESR。

更多内容参考:通过tan δ计算电容ESR
tanδ随温度频率的变化
tanδ倾向于随着频率增加而增加, 但随着温度增加对于PP材质薄膜电容最不明显。
图 4 不同材料薄膜电容,tanδ随温度频率变化 (图片来源于TDK)
因此,PP材质薄膜电容适用于大电流应用。

小贴士:薄膜电容使用时的注意事项-额定电压

额定电压即恒定基础上施加到电容器的最大电压。额定电压可用于直流和交流。对于薄膜电容,直流和交流额定电压通常在几十到几百伏的范围内。用于电力系统的高压类型的交流电压额定值可以到几千伏或更高。

交流额定值是假定仅用于处理交流电流的电路中的电容电压。当用于交流时,如果施加的电压超过一定水平,则会发生电晕放电。持续电晕放电可能导致绝缘击穿。由于额定电压有随温度升高而下降的趋势,因此必须选择具有余量的电容。

我们以R74列举例:

在R74数据手册中我们可以看到,当温度超过85度时,额定电压每升一度,建议降低1.25%

高频电流或纹波电流会导致薄膜电容的自发热。通常温升可能会保持在5至10°C之间,但必须注意环境温度加上自加热温度不得超过电容器的使用范围。

5

最后总结一下:

介质材料
特性总结
PET
最常见的薄膜电容器。耐高温和低温,成本低。
PEN
高容值密度,高工作温度。
PPS
良好的耐热性和热特性,但价格较高。
PP
高绝缘电阻,低tanδ(损耗),适用于高电流,但耐热性稍低。

多年来,薄膜电容一直用作EMI滤波器中的X和Y 电容,并大量应用在工业和消费者应用中。了解不同材料薄膜电容特性,有助于更快地找到合适的薄膜电容。

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小编的话:

作为一种在消费和工业系统中广泛应用的元件,薄膜电容是一种性能优秀的电容器。要选用好薄膜电容,需要对其特性有着充分的了解。相信通过这篇文章的介绍,我们对薄膜电容器件的不同介质以及其对应的特性有了更多的了解。您对薄膜电容的介质、特性和选用有哪些心得和经验?欢迎留言,分享和交流!

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作者 808, ab