MLCC缺货——有个解决办法！

shuszhao · 发表于 2018-7-10 11:10:57

正如许多OEM厂商以及一级和二级制造商都可证明那样，多层陶瓷电容器（MLCC）行业目前正面临着巨大的产能和供应问题。这类情况最后一次发生是在千禧年之际。制造商们正在扩增产能，但这需要时间才能满足，并且对于正在处理迫在眉睫的生产线停工情况的制造商和工程师们，以及必须从非首选来源寻找器件的供应链经理们来说，也几乎没有些许安慰。在这种情况下，工程师们应该探索新的选择和替代技术，而无需对电路或产品进行重新设计。聚合物电解电容器是一种替代方案，在某些条件下可以提供帮助。换用KO-CAP并不总是微不足道的，但如果某些事情符合一致，其可成为研究和采取的可行之路。

KO-CAP背景

KO-CAP是基美电子（KEMET）基于钽的聚合物电解电容器。与其他任何钽电容器一样，它包括一块烧结的钽粉末，其上生长有一层五氧化二钽，并且有一层导电聚合物充当阴极。采用这种导电聚合物的电容器，其等效串联电阻（ESR）比“传统”的钽电容器低得多。
对于工程师来说，遇到问题就要解决，而且对于许多工程方面的挑战也都是如此，因此决定从MLCC过渡到KO-CAP这样的替代方案就是一项管理权衡。在评估转用电容器技术的机会时，有许多参数和因素必须考虑。主要且最重要的指标是：电容、电压、ESR、频率、漏电流、尺寸和认证。
在考虑每项设计参数时，图1所示的流程图可作为其决策指南。

图1：该流程图显示了用KO-CAP替换MLCC的决策树

关键参数

与类似尺寸的陶瓷电容器相比，KO-CAP往往具有更大的电容。其电容值不小于680nF。因此，如果所需的总电容小于该值，则选用KO-CAP就不合适。在电容方面，用一两个KO-CAP就能替换一组MLCC，这通常是KO-CAP一个强有力的价值主张。
在任何基于钽的电容器中，其介电层都非常薄——典型值约为20nm。具有这样薄的电介质可产生大量电容，但它对电压也有限制作用。“高压”KO-CAP最高只有35V。因此，通常，如果用户的工作电压超过50V，那么选用KO-CAP就不合适。
ESR是考虑选用电容器的另一个重要参数——陶瓷电容器的ESR要比相应的KO-CAP低。但这并不是说KO-CAP就没有ESR非常低的类型——有些甚至低至8mΩ，但10mΩ的典型截止值就足够了。
在考虑KO-CAP的频率特性时，需要密切注意自谐振频率（SRF）。通常，用户所需的电容器工作频率低于这一数值。虽然情况并非总是如此，但如果你的开关频率超过1MHz，那么就有可能接近极限。
在研究MLCC替代品的可行性时，偏置是一个简单但不容忽视的方面。KO-CAP是有极性器件，因此不能给其施加反偏电压，也就不能在可能或需要承受反向偏置的场合下进行使用。

一个替代案例

在考虑了所有关键参数之后，我们有必要通过使用TI TSP54560B-Q1（汽车应用用降压转换器）的示例来对其进行巩固。该电路图如图2所示。

图2：MLCC缺货下的降压应用
假设MLCC缺货，使用上述替换指南，我们可以得出以下结论：

输入端

C1、C2、C3和C10是输入端电容器。它们是2.2μF 50V 1206 X7R。虽然陶瓷电容器没有直接替代品，但其总电容为8.8μF，即可以用一个10μF 35V KO-CAP来替换四个陶瓷电容器。其值超过了最初所需的电容，但仍保持在该稳压器所需的范围内。只要输入不是直流电池电压，那输入端就无需考虑ESR、泄漏以及频率。采用基美电子的K-SIM等仿真工具，可以对它们进行并排比较。
从成本角度来看，采用单个器件替换四个MLCC通常可以显著降低成本。

输出端

输出端有C6、C7、C9和C11四个电容器，均为22μF 10V X7R 1206。在这种情况下，也有可直接替换的KO-CAP产品——其值为6.3V，但超过了输出电压范围。在这种情况下，KO-CAP的ESR高于对应的陶瓷电容器，但仍在设计规格范围内。电路的开关频率为300kHz，所推荐更换器件的SRF约为1MHz，因此可以接受。
就成本而言，其情况与输入端类似。用KO-CAP替代MLCC可以节省近50%成本。
C4、C5和C8是对设备功能提供支持的其他电容器。由于它们的物理尺寸和电容值，可以找到合适的替代候选产品。这种类型的电容器不会遇到与MLCC完全相同的供货问题。这个案例中没有太多讨论漏电流问题，因为这个问题只有采用固定不可充电电池的系统才需考虑。

总结

对于难以采购或采购不到MLCC的情况，找到直接替代方案是可能的，但其与用更少数量的KO-CAP替换一组电容器的价值主张并不相同。有时，对棘手的应用进行评估会发现替代并不可行，但在遇到产能和供货问题的时候，通过其他途径寻找解决方案可能产生某种解决方案，其不仅可以解决引起评估的缺货问题，还可以带来其他好处。