O capacitor de cerâmica multicamada (MLCC) é uma das variedades de capacitores mais comuns encontradas em projetos eletrônicos. Ele oferece uma ampla gama de capacitância em massa e tolerância de tensão em vários fatores de forma a um custo relativamente baixo. Embora esses dispositivos tenham se tornado comuns na caixa de ferramentas dos designers, eles exibem algumas peculiaridades frequentemente negligenciadas.

A principal preocupação é a sensibilidade da capacitância efetiva a vários fatores ambientais, incluindo temperatura, tensão de polarização aplicada e idade. Se esses fatores não forem levados em consideração, o risco de falha do produto torna-se muito real, especialmente na variabilidade de fabricação e no acúmulo geral de tolerância.

Considerações de temperatura do MLCC

Os MLCCs são normalmente divididos em duas classes com base no tipo de material cerâmico usado para o dielétrico. Os capacitores de classe I são os mais robustos com menos sensibilidade e geralmente são construídos a partir de TiO2. Um código EIA de três letras é usado para classificar o coeficiente de temperatura (TC) em ppm por grau Celsius, um multiplicador e uma tolerância. Os capacitores de Classe I são frequentemente listados como C0G, que é a menor de todas as sensibilidades de temperatura, implicando uma faixa de temperatura de -55°C a +125°C com uma variação de capacitância de ±30ppm/°C e capacitância total variando menos de ±0,3% .

Os capacitores de classe II são normalmente construídos a partir de dielétricos de BaTiO3 e fornecem uma faixa muito mais ampla de capacitância em massa às custas de maior sensibilidade à temperatura. Os dispositivos de Classe II comumente usados ​​são X7R, Y5V, Z5U. A Tabela 1 apresenta os códigos EIA e os valores correspondentes para coeficiente de temperatura e faixa de capacidade.

Usando a Tabela 1, alguns exemplos são mostrados abaixo:

• l -55 a +125 graus com uma mudança de capacitância de ±15% O código EIA é X7R
• l -55 a +85 graus com uma mudança de capacitância de ±15% O código EIA é X5R
• l -30 a +85 graus com uma variação de capacitância de +22%, -82% O código EIA é Y5V

Tabela 1. Código EIA de dielétrico de classe cerâmica

Figura 1 – Mudança na capacitância MLCC versus temperatura para diferentes códigos EIA

A Figura 1 mostra a mudança na capacitância em toda a faixa de temperatura para vários MLCCs com codificação EIA diferentes. Conhecer as condições ambientais nas quais um capacitor opera e entender a variação tolerável do projeto pode ser crítico para a funcionalidade adequada. Por exemplo, em um aplicativo de alta temperatura, escolher um dispositivo Y5V de baixo custo em vez de um dispositivo X7R mais apropriado garantiria sua falha.

Impacto da Tensão DC BIAS nos Capacitores MLCC

Outra sensibilidade inerente dos capacitores MLCC é a mudança na capacitância bruta com a tensão de polarização CC aplicada. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 2, quanto maior a tensão CC aplicada, menor a capacitância efetiva. A capacitância neste exemplo cai aproximadamente 45% em 25 V, que é apenas metade da classificação de 50 V do dispositivo.

A origem desse fenômeno é a estrutura cristalina do dielétrico cerâmico. Sem tensão DC aplicada, nenhum campo elétrico está presente, e os dipolos de cristal irão se organizar aleatoriamente em todo o dispositivo. Este cenário é referido como polarização espontânea e resulta em uma alta constante dielétrica e, por sua vez, produz alta capacitância.

Figura 2 – Alteração na capacitância versus tensão CC aplicada para um X7R 50V MLCC automotivo

Figura 3 – Polarização do cristal sem (superior) e com (inferior) tensão de polarização DC aplicada

Quando uma baixa tensão CC é aplicada, o campo elétrico faz com que alguns dos dipolos se alinhem em paralelo, conforme mostrado na Figura 3. Esse alinhamento dos dipolos com o campo elétrico diminui a capacitância. À medida que mais tensão CC é aplicada, mais dipolos começam a se alinhar e a capacitância se degrada continuamente. Uma vez que a tensão nominal é atingida, os níveis de capacitância podem cair em até 70% de seu valor nominal. Os dispositivos de Classe II, em particular, sofrem com isso devido à sua construção BaTiO3.

Assim como no caso da sensibilidade à temperatura, estar ciente da dependência da tensão de polarização CC pode influenciar bastante um projeto. Se um MLCC estiver sendo usado para filtrar um pequeno sinal CA com componente CC mínimo, várias opções de MLCC podem ser adequadas. Se, em vez disso, o projeto estiver filtrando a ondulação de um regulador CC de alta tensão, o MLCC pode não ser a melhor escolha.

O fator chave da dependência do viés DC é a espessura do dielétrico. À medida que o dielétrico fica mais espesso, a intensidade do campo elétrico é enfraquecida e a redução da capacitância é mínima. Portanto, para minimizar o efeito de viés DC, um projetista pode aplicar as seguintes técnicas:

• l Escolha um tamanho de caixa maior
• l Escolha uma tensão nominal mais alta
• l Escolha um dielétrico melhor
• l Coloque vários dispositivos em paralelo

Envelhecimento MLCC

Os materiais dielétricos usados ​​em MLCCs de classe superior para atingir alta capacitância sofrem de um processo de envelhecimento inerente. A rede cristalina desses materiais possui energia de deformação embutida que dá origem a um dipolo elétrico permanente. Com o tempo, essa tensão relaxa e a capacitância se degrada lentamente.

A Figura 4 mostra um exemplo de um dispositivo X7R e Y5V com mais de 1000 horas de envelhecimento. Embora esse processo de envelhecimento possa ser revertido elevando a temperatura do dispositivo acima de 120°C, o projetista deve simplesmente incluir o efeito do envelhecimento nos cálculos de vida útil do produto.

Figura 4 – X7R vs Y5V MLCC degradação da idade dielétrica de capacitância

Conclusão

Embora os MLCCs sejam dispositivos de valor inestimável no design eletrônico moderno, suas limitações devem ser compreendidas. Ao contrário de outras tecnologias de capacitores, o projetista precisa estar intimamente familiarizado com os requisitos de temperatura, polarização CC e envelhecimento da aplicação pretendida. Só então o material dielétrico adequado, o tamanho da caixa e a topologia do circuito podem ser decididos.

Fonte:EPCI