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122 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 这 是 一个 简 单 的 关 系 。 在 典 型 电路 板 中 对 于一 对平 行面 来 说 ， 单位 面积的电 容 (nF/in? ) 是 1/ 电 介 质 厚 度 (mil) 。 例 如 ， 如果 电 介 质 层 的 宽度 为 3mil( 即 最 薄的 ) ， 且 它 不会 因 为 独特的 介 质 材料 而 产 生 额 外消 耗 ， 那 么 这…
第
5
章
实用多层陶瓷片状电容器的集成
121
频率
（
Hz
）
每个电容器的
ESL
值
（
nH
）
图
5-11
左图
：
模拟两个并联
RLC
电路在
G
和
L
2
降低时
，
阻抗峰值曲线的降低
。
右图:
用
Keysight
ADS
进行模拟
，
模拟在
L^L
2
的情况下的峰值阻抗
•
使两
个电容值更接近
；
•
提高
每一个
RLC
电路的
ESR
；
•减
少
每一个电容器的
ESL
。
这些就是优化电容值并将其整合进
PDN
生态学最重要的动力
。
5.6
设计一个贴片电容
从根本上说
，
电容器无非就是两个导体夹
着电介质
。
一个多层陶瓷片
（
MLCC
）
电容器事
实上就是平行于电介质且分开的多层导体
。
图
5-12
所示为一个平行板电容器的结构
。
在导体平面上可以存储的电荷量与平行导
体的重叠面积
、
导体间隔以及并联的平行面数
图
5-
12
一个平行板电容器的结构和一个
MLCC
电容器的横截面
，
这个横截
面显示出
MLCC
电容器被电介质分
隔开的多层平行板导体
目有关
。
当导体面积大并且彼此之间非常靠近时,
平行板电容器对其产生的电容值提供了
一种简单的近似估量
，
它可以导出为以下形式:
CQpF]
=
e
0
Dk
n
—
=
225
Dk
n
（
5-
13
）
n
nLmilJ
式中
，
。
是电容器的电容值
（
pF
）
；
Eo
是自由空间的介电常数
，
为
8.
85
X
10-12
F/m
或
0.
225pF/in
；
Dk
是导体间电介质的介电常数
；
〃是平行板间电介质层的数目
；
A
是平行板
的重叠面积
G/
）
；
力是电介质层的宽度
（
mil
）
。
例如
，
将一对导体粗略地看作直径为
lin
宽的区域
，
彼此之间间隔
100mil
（
lmil
=
25.4X
10-
6
m
）
,
中间填充空气
。
这样一个电容器的电容值为
：
C[pF]
=
玩
Dk
%
含心
225
X
1
X
1
义
〔
出
1
1.
=
2pF
（
5-14
）
电容值随面积而扩展
，
在一个由大面积平行板组成的结构中
，
比如一个填充
FR4
型电
介质的平行电路板
，
我们可以估算出其单位面积上的电容
：
^[nF/in
2
]
=
e
0
Dk
子
=
O.225
X
4
X
1
X
悬而
、
息而
-(5-15)
122
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
这是一个简单的关系
。
在典型电路板中对于一对平行面来说
，
单位面积的电容
(nF/in?)
是
1/
电介质厚度
(mil)
。
例如
，
如果电介质层的宽度为
3mil(
即最薄的)
，
且它不会因为独特的介质材料而产生
额外消耗
，
那么这个电容器每单位面积的电容是
l/3mil
=
0.
3nF/in2
。
一个
10in(lin
=
0.
0254m)
宽的极板一侧拥有的层间总电容为
10in
X
10in
X
0.
3nF/in
2
=
30nF
o
与在极板上
使用一个分离的电容器相比
，
这是一个相对较小的电容值
。
第
6
章讨论了极板的作用
，
它
不是提供高电容而是在封装元件和电容器之间提供低电感
。
提示
设电介质厚度为脑单位是
mil
。
一个电路板里两个平板组成的电容器的单位电
容大约为
1/h
(单位为
nF/in
2
)
o
实际电容器的电容值一般是指定电容的
20%
。
根据使用的不同介质材料
，
电容
可能会
随着电压和温度的变化而发生轻微改变
。
5.7
电容器温度与电压稳定性
使用高介电常数
(Dk)
的电介质材料以及相比印制电
路板参
数更薄的板间宽度
，
我们得
到了高电容密度的
MLCC
电容器
。
这意味着材料中可能有很强的电场
，
一些具有高介电常
数的电介质材料是铁电体并且它有非线性极化率
。
一般来说
，
更强的电场会使介电常数变
小
，
介电常数同样也对温度敏感
。
根据电容对电压和温度的敏感程度
，
电容器可以分为
三类
。
介电材料明确了电容器的
种类和稳定性
。
这些种类如下
所示
。
第一类
：
这类电容器是最稳定的
。
它们通常由镁锯酸组成
，
并且
Dk
值在
20
〜
40
之
间
。
在温度和电压方面
，
Dk
和产生的电容都是稳定的
。
一
种常见的材料名称为
NPO,
它
的电容温度系数小于
30ppm/degK
。
因为
Dk
不是很高
，
所以在
第一类
电容器中想要获得大
的电容值是困难的
。
它们最适合应用在
SRF
需要保
持稳定的滤波器中
。
第二类
：
这类电容器通常用于去耦
，
由
Dk
值在
200
〜
14000
之间的电介质材料制
成
。
这些材料通常是有各种添加剂的钛酸领
，
它们满足了能够在小体积中获得大电容值
的要求
。
但是又因为这些材料自身的铁电性质
，
所
以它们对于温
度和电压有更大的敏
感性
。
第三类
：
这类电容器由具有高有效
Dk
值的材料制成
，
这些材料不
适用于
多层电容器
。
去耦应用中不能使用这一类电容器
。
电子工业协会
(EIA)
已经建立
了一套
简单的描述第
二类电
容器电介质的温度范围和电
容稳定性的标准
。
图
5-13
列举了这个分
类表
。
例如
，
X5R
代表的是稳定电容的一种标准
，
即温度
范围在一
55℃
〜
+
85℃,
电容改变
程度应该在
±15%
以内
。
X7R
标准材料让温度特性延伸到了
+
125℃
。
X5R
和
X7R
材料都
一般用作
MLCC
电容器材料
。
这些指标也与稳定性和电压有着轻微的联系
。
图
5-
14
显示
了对于不同材料
，
电容关于温度变化的典型
例子
。
第
5
章
实用多层陶瓷片状电容器的集成
123
图
5-13
电子工业协会
（
EIA
）
为第二类电容器材
料基于相对温度的电容稳定性制定的
分类标准
最小温度
m
最大温度
川
可接受的电容值
变化范围力
X
-5
5
c
t
2
+45
七
A
上
1.0%
Y
-30t
4
+65
七
B
士
1.5%
Z
+10
七
5
+85
1
C
±2.2%
6
+105
七
D
±3.3%
7
+125t
E
±4.7%
8
+150t
F
士
7.5%
9
+200t
L
+15%/-40%
[2]
P
±10%
R
±15%
S
±22%
T
+22%/-33%
U
+22%
/-56%
V
+22%/-82%
-20
-40
-60
AC/C
0
(%)
0
-80
-50
0
50
100
150
温度
（
七
）
图
5-14
MLCC
中采用不同材料的温度稳定性的
例子
提示
X5R
或
X7R
的电容器指标是指额定电容器的温度变化范围和在这个温度范围内
电容的预期变化量
。
R
指的是额定温度范围内电容预期变化的
±15%
。
通常
，
使用的电压越高
，
板间电场越强
，
Dk
越低
。
也就是说电容值变少了
。
然而
，
不
同厂商的不同电容器即便采用相同的材料仍然会有不同的电压敏感度
,
这意味着对于精确
的电容器模型
，
检查电容器样品中特定产品的规格和性能是很有必要的
。
图
5-15
所示为对
于不同材料测量电压敏感度的例子
。
s
M
褪 超
彼 怔
一
聚合物
Ta
---
聚合物
A1
—
薄膜
—
MLCC
〈
C0G>
------
MLCC<X5R>
—
MLCC<Y5V>
图
5-15
关于不同材料的电压敏感度的例子