多层陶瓷芯片电容器:MLCC中直流偏压引起电容损耗

日期:2019-06-04
 
多层陶瓷芯片电容器(MLCC)的发展突飞猛进,正被越来越多的应用使用。然而,人们在设计中经常忽略一件事:直流(DC)偏压行为会影响2类陶瓷电容器的电容。由于显然无法解释的原因,这可能导致电容超出应用的容差范围,并可能带来技术上的问题。不过,还是有方法应对这种情况的。
 
作者:Jurgen Geier,陶瓷电容器现场应用工程师,儒卓力
 
多层陶瓷芯片电容器(MLCC)是当今使用最广泛的陶瓷电容器之一,这主要归因于它们在最大标称C值和更低ESR值(等效串联电阻)方面的优化十分突出。然而,这伴随着更大的漂移,特别是在直流电压、温度和时间方面(图1)。
 
 
图1:由于2类陶瓷电容器使用铁磁性基材钛酸钡,因此其C值因温度、直流和交流电压以及部件的使用年限而变化。
 
现在,2类陶瓷电容器已达到如此高的电容数值,这将反复导致其在运作期间实际电容的误算。人们通常不知道元件在实际应用中的表现如何,以及它们为什么在施加电压时变化如此之大,一个与此相关的重要电气参数就是直流偏压。
 
直流偏压效应
直流偏压效应可以在实验室中得到最好的验证。TDK使用标称电压为25V的3216X7R1μF电容进行测试,并将其连接到LCR仪表。这在0V时显示1μF。如果施加25V电压,则可以检测到与标称电容值相比超过40%的电容损耗。
其原因在于陶瓷电容器的实际结构:它们的介电材料是从钛酸钡获得的,钛酸钡是一种铁磁性材料,其分子附着在结构钡2 +、氧2 -、钛4 +上。在这种情况下,钛位于中间。该分子结构在高于居里温度(约+ 125℃)时具有立方晶体结构,在低于居里温度时则变为四方晶体结构。这会产生称为偶极子的极性,其中轴的一侧较为正,另一侧较为负。
在没有施加直流电压的情况下,没有电场,偶极子在整个晶体结构中随机排列(自发极化)。同时,介电常数高,这也导致高电容。如果现在施加低直流电压,则电场会由于极化而影响一些偶极子。它们开始与电场平行排列,从而降低了电容。
如果施加更高的直流电压,则几个偶极子自身会与电场平行排列,并且电容会持续减少。当标称电压施加到电容器时,电容水平可能会从标称电容水平下降多达50%或更多(图2)。
 
图2:由于直流电压引起的C值变化
 
直流偏压对2类陶瓷电容器电容的影响是无法避免的,但是有办法应对。
 
改善电路设计
通过比较2类电容器的几条直流偏压曲线,可显示出能够降低应用中影响的几种可能性:
使用具有1nF和标称电压为16 V的电容器,电容在10 V时降低了近9%,在16 V时降低了21%。对于某些设计而言,这已经是不可接受的情况。使用标称电压为25 V的相同电容器,,电容在10V时仅下降2%。
这是因为陶瓷电容器中的介电层在较高的标称电压下较厚,较厚的电介质意味着电场较弱,其对偶极子的影响也较少。
在10 V时,相同封装尺寸的470 pF电容的电容变化仅为0.6%。如果设计允许其中两个电容并联连接,由于较低的电容值允许较厚的介电层,这将是直流偏压效应的可能解决方案。
有时,具有相同电容值的电容器也可使用较大的封装,它们通常还具有较厚的介电层,因此具有更好的直流偏压行为。
 
实际示例:不考虑直流偏压
用一个实际的例子来说明如果在应用中未考虑直流偏压会出现什么情况:一位客户使用08054.7 μF X5R多层陶瓷电容器,电压为25 V,标称容差为10%,测量参数为1 V eff 下1 kHz。客户抱怨组件有缺陷,因为它们的C值在14.5V时仅为1 μF左右,而不是与“黄金”样品一样的大约1.5 μF。这导致15 V时的纹波信号,从而引起IPM驱动器电源的欠压和MOSFET换向不良,最终导致电机绕组出现过电流。
结果显示电容器制造商使用了两种不同的原料混合物来维持供应电压的可靠性。在14.5 V时,一种混合物显示数值约为 1μF,另一种则约为 1.5μF。换句话说,两者都符合特征数据(图3和4)。客户争执的地方在于使用具有较高数值的组件来进行偏压测试,而并未检查差异原因,或者考虑相应的一般图表。应用中的阈值大约为1.25μF。最初,客户恰好收到具有较低直流偏压的元件,当客户最终收到直流偏压特性更明显的元件时,这些元件会表现出电路的不良行为。
 
 
图3:0805,4,7μF电容器的特性数据
 
 
图4:MLCC中的各种基材显示出不同的直流偏压行为。
 
结论
该示例表明,在短缺情况下,了解和考虑应用中各项功能的实际要求以及MLCC的行为尤为重要。必须注意:哪个实际电压是必要的?在实践中需要考虑哪些温度? 有效电容值的阈值在哪里? 如有疑问,开发人员应寻求电容器制造商或分销商的建议,特别是如果与特性数据和图表存在相对明显的偏差时,因为与规范数据相比,这些都是难以保证的。
在这种情况下,特别建议使用电容器的直流偏压曲线进行预先检查,电容对于实际工作电压是否可接受。如果不是这种情况,可以通过三种方式最大限度地减少电容损耗:
1. 并联两个或多个电容值较低的电容器
2. 选择具有更高标称电压的电容器
3. 使用具有更大封装的电容器。
这三种方法通常都具有较厚的介电层,有助于最大限度地减少由于直流偏压引起的电容损耗。这可以避免技术上的问题,还可以为开发人员提供更多选择。
 
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