多層陶瓷芯片電容器(MLCC)是當(dāng)今使用最廣泛的陶瓷電容器之一，這主要?dú)w因于它們?cè)谧畲髽?biāo)稱C值和更低ESR值(等效串聯(lián)電阻)方面的優(yōu)化十分突出。然而，這伴隨著更大的漂移，特別是在直流電壓、溫度和時(shí)間方面(圖1)。
現(xiàn)在，2類(lèi)陶瓷電容器已達(dá)到如此高的電容數(shù)值，這將反復(fù)導(dǎo)致其在運(yùn)作期間實(shí)際電容的誤算。人們通常不知道元件在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)如何，以及它們?yōu)槭裁丛谑┘与妷簳r(shí)變化如此之大，一個(gè)與此相關(guān)的重要電氣參數(shù)就是直流偏壓。
直流偏壓效應(yīng)
直流偏壓效應(yīng)可以在實(shí)驗(yàn)室中得到最好的驗(yàn)證。TDK使用標(biāo)稱電壓為25V的3216X7R1μF電容進(jìn)行測(cè)試，并將其連接到LCR儀表。這在0V時(shí)顯示1μF。如果施加25V電壓，則可以檢測(cè)到與標(biāo)稱電容值相比超過(guò)40%的電容損耗。
其原因在于陶瓷電容器的實(shí)際結(jié)構(gòu)：它們的介電材料是從鈦酸鋇獲得的，鈦酸鋇是一種鐵磁性材料，其分子附著在結(jié)構(gòu)鋇2 +、氧2 -、鈦4 +上。在這種情況下，鈦位于中間。該分子結(jié)構(gòu)在高于居里溫度(約+ 125℃)時(shí)具有立方晶體結(jié)構(gòu)，在低于居里溫度時(shí)則變?yōu)樗姆骄w結(jié)構(gòu)。這會(huì)產(chǎn)生稱為偶極子的極性，其中軸的一側(cè)較為正，另一側(cè)較為負(fù)。
在沒(méi)有施加直流電壓的情況下，沒(méi)有電場(chǎng)，偶極子在整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中隨機(jī)排列(自發(fā)極化)。同時(shí)，介電常數(shù)高，這也導(dǎo)致高電容。如果現(xiàn)在施加低直流電壓，則電場(chǎng)會(huì)由于極化而影響一些偶極子。它們開(kāi)始與電場(chǎng)平行排列，從而降低了電容。
如果施加更高的直流電壓，則幾個(gè)偶極子自身會(huì)與電場(chǎng)平行排列，并且電容會(huì)持續(xù)減少。當(dāng)標(biāo)稱電壓施加到電容器時(shí)，電容水平可能會(huì)從標(biāo)稱電容水平下降多達(dá)50%或更多(圖2)。
直流偏壓對(duì)2類(lèi)陶瓷電容器電容的影響是無(wú)法避免的，但是有辦法應(yīng)對(duì)。
改善電路設(shè)計(jì)
通過(guò)比較2類(lèi)電容器的幾條直流偏壓曲線，可顯示出能夠降低應(yīng)用中影響的幾種可能性：
使用具有1nF和標(biāo)稱電壓為16 V的電容器，電容在10 V時(shí)降低了近9%，在16 V時(shí)降低了21%。對(duì)于某些設(shè)計(jì)而言，這已經(jīng)是不可接受的情況。使用標(biāo)稱電壓為25 V的相同電容器，，電容在10V時(shí)僅下降2%。
這是因?yàn)樘沾呻娙萜髦械慕殡妼釉谳^高的標(biāo)稱電壓下較厚，較厚的電介質(zhì)意味著電場(chǎng)較弱，其對(duì)偶極子的影響也較少。
在10 V時(shí)，相同封裝尺寸的470 pF電容的電容變化僅為0.6%。如果設(shè)計(jì)允許其中兩個(gè)電容并聯(lián)連接，由于較低的電容值允許較厚的介電層，這將是直流偏壓效應(yīng)的可能解決方案。
有時(shí)，具有相同電容值的電容器也可使用較大的封裝，它們通常還具有較厚的介電層，因此具有更好的直流偏壓行為。
實(shí)際示例：不考慮直流偏壓
用一個(gè)實(shí)際的例子來(lái)說(shuō)明如果在應(yīng)用中未考慮直流偏壓會(huì)出現(xiàn)什么情況：一位客戶使用08054.7 μF X5R多層陶瓷電容器，電壓為25 V，標(biāo)稱容差為10%，測(cè)量參數(shù)為1 V eff 下1 kHz?？蛻舯г菇M件有缺陷，因?yàn)樗鼈兊腃值在14.5V時(shí)僅為1 μF左右，而不是與“黃金”樣品一樣的大約1.5 μF。這導(dǎo)致15 V時(shí)的紋波信號(hào)，從而引起IPM驅(qū)動(dòng)器電源的欠壓和MOSFET換向不良，最終導(dǎo)致電機(jī)繞組出現(xiàn)過(guò)電流。
結(jié)果顯示電容器制造商使用了兩種不同的原料混合物來(lái)維持供應(yīng)電壓的可靠性。在14.5 V時(shí)，一種混合??物顯示數(shù)值約為 1μF，另一種則約為 1.5μF。換句話說(shuō)，兩者都符合特征數(shù)據(jù)(圖3和4)?？蛻魻?zhēng)執(zhí)的地方在于使用具有較高數(shù)值的??組件來(lái)進(jìn)行偏壓測(cè)試，而并未檢查差異原因，或者考慮相應(yīng)的一般圖表。應(yīng)用中的閾值大約為1.25μF。最初，客戶恰好收到具有較低直流偏壓的元件，當(dāng)客戶最終收到直流偏壓特性更明顯的元件時(shí)，這些元件會(huì)表現(xiàn)出電路的不良行為。
結(jié)論
該示例表明，在短缺情況下，了解和考慮應(yīng)用中各項(xiàng)功能的實(shí)際要求以及MLCC的行為尤為重要。必須注意：哪個(gè)實(shí)際電壓是必要的？在實(shí)踐中需要考慮哪些溫度？ 有效電容值的閾值在哪里？ 如有疑問(wèn)，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)尋求電容器制造商或分銷(xiāo)商的建議，特別是如果與特性數(shù)據(jù)和圖表存在相對(duì)明顯的偏差時(shí)，因?yàn)榕c規(guī)范數(shù)據(jù)相比，這些都是難以保證的。
在這種情況下，特別建議使用電容器的直流偏壓曲線進(jìn)行預(yù)先檢查，電容對(duì)于實(shí)際工作電壓是否可接受。如果不是這種情況，可以通過(guò)三種方式最大限度地減少電容損耗：
- 并聯(lián)兩個(gè)或多個(gè)電容值較低的電容器
- 選擇具有更高標(biāo)稱電壓的電容器
- 使用具有更大封裝的電容器。
這三種方法通常都具有較厚的介電層，有助于最大限度地減少由于直流偏壓引起的電容損耗。這可以避免技術(shù)上的問(wèn)題，還可以為開(kāi)發(fā)人員提供更多選擇。
