【導讀】在構(gòu)建多層陶瓷電容器(MLCC)時,電氣工程師們通常會根據(jù)應(yīng)用選擇兩類電介質(zhì)——1類,非鐵電材料介質(zhì),如C0G/NP0;2類,鐵電材料介質(zhì),如X5R和X7R。它們之間的關(guān)鍵區(qū)別在于,隨著電壓和溫度的提升,電容是否還具備良好的穩(wěn)定性。
在構(gòu)建多層陶瓷電容器(MLCC)時,電氣工程師們通常會根據(jù)應(yīng)用選擇兩類電介質(zhì)——1類,非鐵電材料介質(zhì),如C0G/NP0;2類,鐵電材料介質(zhì),如X5R和X7R。它們之間的關(guān)鍵區(qū)別在于,隨著電壓和溫度的提升,電容是否還具備良好的穩(wěn)定性。對于1類電介質(zhì),當施加直流電壓、工作溫度上升時,容值保持穩(wěn)定;2類電介質(zhì)具有較高的介電常數(shù)(K),但在溫度、電壓、頻率變化的情況下以及隨著時間的推移,容值不太穩(wěn)定。
雖然可以通過各類設(shè)計變更來提高容值,例如改變電極層的表面積、層數(shù)、K值或兩個電極層之間的距離,但當施加直流電壓時,2類電介質(zhì)的容值最終仍會急劇下降。這是由于一種叫做直流偏壓現(xiàn)象的存在,導致2類鐵電配方在施加直流電壓時最終會出現(xiàn)介電常數(shù)的下降。
對于較高K值的介質(zhì)材料,直流偏壓的影響可能更嚴重,電容器有可能損失高達90%甚至更多的容值,如圖1所示。
圖1. X7R電容的電壓變化曲線
材料的介電強度,即一定厚度的材料所能承受的電壓,也能改變直流偏壓對電容器的影響。在美國,介電強度通常以伏特/密耳為單位(1密耳等于0.001英寸),在其他地方則以伏特/微米為單位,它由電介質(zhì)層的厚度決定。因此,具有相同容值和額定電壓的不同電容器由于各自不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu),其性能表現(xiàn)可能存在較大差異。
值得注意的是,當施加的電壓大于材料的介電強度時,火花將穿過材料,導致潛在的點火或小規(guī)模的爆炸風險。
直流偏壓如何產(chǎn)生的實際案例
如果把工作電壓導致的容值變化與溫度變化結(jié)合起來考慮,那么我們會發(fā)現(xiàn)在特定應(yīng)用溫度和直流電壓下,電容的容值損失會更大。以某X7R材質(zhì)的MLCC為例,其容值為0.1μF,額定電壓為200VDC,內(nèi)部層數(shù)為35,厚度為1.8密耳(0.0018英寸或45.72微米),這意味著在200VDC下工作時,電介質(zhì)層只經(jīng)歷111伏/密耳或4.4伏/微米。粗略計算,VC將為-15%。如果電介質(zhì)的溫度系數(shù)為±15%ΔC,VC為-15%ΔC,那么最大的TVC為+15%-30%ΔC。
造成這種變化的原因在于所使用的2類材料的晶體結(jié)構(gòu)——在該案例中為鈦酸鋇(BaTiO3)。該材料在達到居里溫度或以上時,具有立方體的晶體結(jié)構(gòu)。然而,當溫度恢復到環(huán)境溫度時,由于溫度降低使材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,就會發(fā)生極化。極化的發(fā)生不需要任何外部電場或壓力,這被稱為自發(fā)極化或鐵電性。當在環(huán)境溫度下對材料施加直流電壓時,自發(fā)極化與直流電壓的電場方向相連,并發(fā)生自發(fā)極化的逆轉(zhuǎn),從而導致容值減少。
如今,即使有了各式各樣的設(shè)計工具來提高容值,但由于直流偏壓現(xiàn)象的存在,當施加直流電壓時,2類電介質(zhì)的容值仍會大幅度地降低。因此,為了確保應(yīng)用的長期可靠性,您選擇MLCC時,除了需要考慮MLCC的額定容值,還需將直流偏壓對元件的影響納入考量。
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