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技術(shù)專題
在直流偏置下診斷II類MLCC有效電容和老化
數(shù)十年來，多層陶瓷電容器（MLCC）由于具有許多優(yōu)勢（例如，可用電容范圍寬，無極性，低ESR和低成本）而成為表面貼裝電容器的首選。大多數(shù)設(shè)計人員都知道，當(dāng)在電容器上施加直流偏置時，II類MLCC的有效電容會大大降低。
但是，除了直流偏置效應(yīng)外，其他重要因素也會影響II類MLCC的有效電容。這些因素包括交流偏置，信號頻率，溫度和老化。
讓我們首先看一下直流偏置效應(yīng)，它可能是有效電容的最有效降低器。例如，通過施加3 V直流電（額定電壓的47％），可以將1 μF，6.3 V額定值的X5R MLCC的有效電容減小至0.36 μF。請注意，用于直流偏置測量的標(biāo)準(zhǔn)信號條件是1 kHz時500 mV RMS。這表明與1 μF標(biāo)稱電容相比降低了64％（圖1）。
1.在此圖中，我們看到有效電容如何隨著施加的直流偏置電壓的增加而下降。
當(dāng)施加直流電壓時，一些鈦酸鋇（BaTiO 3； II類MLCC使用的介電材料）偶極子被鎖定。當(dāng)交流電壓變化時，這些鎖定的偶極子將不再能夠移動，從而導(dǎo)致電容減小。直流偏置效應(yīng)已被所有電氣工程師充分觀察到。
現(xiàn)在，如果在標(biāo)準(zhǔn)測量條件下將交流電水平從500 mV RMS降低至10 mV RMS， 同時保持相同的1kHz頻率和3V dc偏置，則有效電容將進(jìn)一步降至0.32 μF，額外降低4％減少。但是，增加交流信號幅度會增加有效電容（圖2），即使只是微不足道。但是請注意，這并非普遍正確。
2.顯示的是在施加3V直流偏置電壓的情況下，不同交流電壓電平下的有效電容。
交流電壓依賴性和直流偏置效應(yīng)
有效電容的交流電壓依賴性機(jī)制比直流偏置效應(yīng)復(fù)雜得多。這是由于所施加的電場與通量密度之間的電介質(zhì)的非線性介電常數(shù)（磁滯效應(yīng)）引起的。在圖2和3中，我們觀察到，隨著交流信號的增加，測得的電容也隨之增加，但是請注意，隨著交流信號的幅度達(dá)到一定水平，電容開始減小。
3.交流電壓電平會影響未施加直流偏置的有效電容，如下圖所示。
另一個要點是，直流偏置的電平還會影響交流電壓對有效電容的影響。當(dāng)施加的直流電壓較小時，如果交流電壓幅度也接近于零，則交流電壓依賴性效應(yīng)會變得更加明顯，并且有效電容可能會下降多達(dá)30％（再次參見圖3）。
另一方面，如果由于直流偏置效應(yīng)而使電容降已經(jīng)超過50％（再次參見圖2），則由于交流信號引起的電容損耗將變得小得多。因此，根據(jù)實際信號條件，必須在考慮直流偏置和交流電壓依賴性影響的同時謹(jǐn)慎考慮有效電容。
TCC和頻率依賴性
在典型的MLCC數(shù)據(jù)表上可以找到另外兩個圖，分別是電容的溫度特性（TCC）和頻率相關(guān)特性。與直流偏置和交流電壓相關(guān)的影響相比，TCC和頻率相關(guān)的影響不那么明顯，在大多數(shù)情況下，電容變化的貢獻(xiàn)不到20％。
TCC由MLCC的電介質(zhì)類型（例如X5R，X6S，X7R等）調(diào)節(jié)。因此，電容變化在每種介電類型的定義之內(nèi)就不足為奇了。例如，X5R或X7R的變化為15％。但是請注意，由TCC定義的電容變化范圍與電容容差無關(guān)。因此，對于22 μF，20％的X7R MLCC，在最壞的情況下，初始電容可能低至15 μF [22 μF×80％（公差的下限）×85％（假設(shè)它保持不變）。在125°C時電容的85％）= 14.96 μF]，甚至在施加任何電壓之前也是如此。
圖4顯示了對于相同的10V，1μF MLCC，電容值如何隨著交流信號頻率的增加而減小。當(dāng)施加直流偏置時，電容的變化會變得更小。
4.不同的頻率水平也會影響有效電容，這取決于：無直流偏置（上）；施加3V直流偏置（底部）。
MLCC老化效應(yīng)表明，MLCC的電容根據(jù)以下方程式隨時間呈對數(shù)減?。?/span>
C（t）= C（t 0）*（1-k * log 10（t）），
其中C（t 0）=初始電容值；C（t）=電容值，開始老化后t小時；k =老化常數(shù)，隨MLCC類型而變化；t =老化時間。
老化現(xiàn)象歸因于BaTiO 3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，其中電容隨著偶極子緩慢地重新排列其取向而減小，以穩(wěn)定內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力（圖5）。通常，出于以下兩個原因，老化行為相對較少受到關(guān)注。首先，老化是可逆的?？梢酝ㄟ^將MLCC加熱到125°C或居里點以上來恢復(fù)減小的電容，居里點上的偶極子將重新排列，電容將恢復(fù)。這種熱處理稱為“老化”，并在標(biāo)稱電容測量之前觀察到。
5.當(dāng)溫度降到居里點以下時，MLCC會發(fā)生老化。偶極子切換到90°域以減輕內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力。
其次，考慮到電容下降的對數(shù)性質(zhì)，在老化的前1000個小時內(nèi)，電容的損耗最為明顯。MLCC的有效電容在1000小時后由于電容降變得很小而基本上“穩(wěn)定”了。盡管如此，從產(chǎn)品可靠性的角度來看，老化仍然是設(shè)計師要考慮的重要話題，因為自然界中幾乎所有最終產(chǎn)品都必須能夠運(yùn)行1000小時以上。
老化和直流偏置
與老化有關(guān)的另一個主題，盡管了解得很少，但是直流偏置下電容器的老化行為。這個主題比看起來要重要得多，因為MLCC通常被用作電源軌中的旁路電容器，以維持這些電源軌的直流電壓。這意味著這些電容器處于恒定的直流電場下。憑直覺，人們可能認(rèn)為老化和直流偏置的影響是累加的—當(dāng)施加直流偏置時，老化曲線應(yīng)該簡單地向下移動。這似乎是合理的，因為直流偏置不會隨時間變化，但實際上并非如此。
在現(xiàn)實世界中，直流偏置下的電容器老化行為如圖6所示。最初，施加直流電場之后，有效電容曲線幾乎立即下降。由于偶極子鎖定，這就是工作中的直流偏置效應(yīng)。在直流偏置效應(yīng)減小了有效電容之后（以秒為單位發(fā)生），老化效應(yīng)開始發(fā)揮作用，并持續(xù)工作長達(dá)10 5秒甚至更長。
6.直流偏置下MLCC老化的有效電容下降至低于直流偏置以及與老化效應(yīng)相結(jié)合時電容下降的線性總和。
但是，應(yīng)該注意的是，在出現(xiàn)老化效應(yīng)之后，施加的dc偏置實際上會使有效電容下降的幅度甚至比來自dc偏置和老化效應(yīng)的電容降的線性總和還要低。這是因為在偶極子切換過程中（再次參見圖5），直流偏置實際上有助于90°偶極子疇與具有最低介電常數(shù)的BaTiO 3晶格軸對齊，從而進(jìn)一步減小了電容。
盡管可能很重要，但令人遺憾的是，直流偏置下的MLCC的老化行為并未成為有效電容仿真的重點。因此，它不是通?？梢栽?/span>MLCC數(shù)據(jù)表中找到的規(guī)范。此外，這種電容下降行為在很大程度上取決于給定MLCC的材料類型和設(shè)計結(jié)構(gòu)。因此，對于性能對有效電容敏感的設(shè)計，實際電容減小的實驗測量成為準(zhǔn)確了解特定MLCC的DC偏壓下老化行為的唯一方法。
MLCC不僅適用于更小，更快，最先進(jìn)的設(shè)備，而且是在眾多應(yīng)用程序中發(fā)現(xiàn)的構(gòu)建組件。全面了解MLCC有效電容不僅將有助于設(shè)計人員構(gòu)建更穩(wěn)定，更堅固的系統(tǒng)，而且還可以幫助防止將來出現(xiàn)任何潛在的可靠性問題，尤其是在最終產(chǎn)品投入生產(chǎn)后。