在直流偏置下诊断II类MLCC有效电容和老化

2020-07-06

数十年来，多层陶瓷电容器（MLCC）由于具有许多优势（例如，可用电容范围宽，无极性，低ESR和低成本）而成为表面贴装电容器的首选。大多数设计人员都知道，当在电容器上施加直流偏置时，II类MLCC的有效电容会大大降低。

但是，除了直流偏置效应外，其他重要因素也会影响II类MLCC的有效电容。这些因素包括交流偏置，信号频率，温度和老化。

让我们首先看一下直流偏置效应，它可能是有效电容的最有效降低器。例如，通过施加3 V直流电（额定电压的47％），可以将1 µF，6.3 V额定值的X5R MLCC的有效电容减小至0.36 µF。请注意，用于直流偏置测量的标准信号条件是1 kHz时500 mV RMS。这表明与1 µF标称电容相比降低了64％（图1）。

1.在此图中，我们看到有效电容如何随着施加的直流偏置电压的增加而下降。

当施加直流电压时，一些钛酸钡（BaTiO 3； II类MLCC使用的介电材料）偶极子被锁定。当交流电压变化时，这些锁定的偶极子将不再能够移动，从而导致电容减小。直流偏置效应已被所有电气工程师充分观察到。

现在，如果在标准测量条件下将交流电水平从500 mV RMS降低至10 mV RMS，  同时保持相同的1kHz频率和3V dc偏置，则有效电容将进一步降至0.32 µF，额外降低4％减少。但是，增加交流信号幅度会增加有效电容（图2），即使只是微不足道。但是请注意，这并非普遍正确。

2.显示的是在施加3V直流偏置电压的情况下，不同交流电压电平下的有效电容。

交流电压依赖性和直流偏置效应

有效电容的交流电压依赖性机制比直流偏置效应复杂得多。这是由于所施加的电场与通量密度之间的电介质的非线性介电常数（磁滞效应）引起的。在图2和3中，我们观察到，随着交流信号的增加，测得的电容也随之增加，但是请注意，随着交流信号的幅度达到一定水平，电容开始减小。

3.交流电压电平会影响未施加直流偏置的有效电容，如下图所示。

另一个要点是，直流偏置的电平还会影响交流电压对有效电容的影响。当施加的直流电压较小时，如果交流电压幅度也接近于零，则交流电压依赖性效应会变得更加明显，并且有效电容可能会下降多达30％（再次参见图3）。

另一方面，如果由于直流偏置效应而使电容降已经超过50％（再次参见图2），则由于交流信号引起的电容损耗将变得小得多。因此，根据实际信号条件，必须在考虑直流偏置和交流电压依赖性影响的同时谨慎考虑有效电容。

TCC和频率依赖性

在典型的MLCC数据表上可以找到另外两个图，分别是电容的温度特性（TCC）和频率相关特性。与直流偏置和交流电压相关的影响相比，TCC和频率相关的影响不那么明显，在大多数情况下，电容变化的贡献不到20％。

TCC由MLCC的电介质类型（例如X5R，X6S，X7R等）调节。因此，电容变化在每种介电类型的定义之内就不足为奇了。例如，X5R或X7R的变化为15％。但是请注意，由TCC定义的电容变化范围与电容容差无关。因此，对于22 µF，20％的X7R MLCC，在最坏的情况下，初始电容可能低至15 µF [22 µF×80％（公差的下限）×85％（假设它保持不变）。在125°C时电容的85％）= 14.96 µF]，甚至在施加任何电压之前也是如此。

图4显示了对于相同的10V，1µF MLCC，电容值如何随着交流信号频率的增加而减小。当施加直流偏置时，电容的变化会变得更小。

4.不同的频率水平也会影响有效电容，这取决于：无直流偏置（上）；施加3V直流偏置（底部）。

MLCC老化效应表明，MLCC的电容根据以下方程式随时间呈对数减小：

C（t）= C（t 0）*（1-k * log 10（t）），

其中C（t 0）=初始电容值；C（t）=电容值，开始老化后t小时；k =老化常数，随MLCC类型而变化；t =老化时间。

老化现象归因于BaTiO 3的内部结构特征，其中电容随着偶极子缓慢地重新排列其取向而减小，以稳定内部机械应力（图5）。通常，出于以下两个原因，老化行为相对较少受到关注。首先，老化是可逆的。可以通过将MLCC加热到125°C或居里点以上来恢复减小的电容，居里点上的偶极子将重新排列，电容将恢复。这种热处理称为“老化”，并在标称电容测量之前观察到。

5.当温度降到居里点以下时，MLCC会发生老化。偶极子切换到90°域以减轻内部机械应力。

其次，考虑到电容下降的对数性质，在老化的前1000个小时内，电容的损耗最为明显。MLCC的有效电容在1000小时后由于电容降变得很小而基本上“稳定”了。尽管如此，从产品可靠性的角度来看，老化仍然是设计师要考虑的重要话题，因为自然界中几乎所有最终产品都必须能够运行1000小时以上。

老化和直流偏置

与老化有关的另一个主题，尽管了解得很少，但是直流偏置下电容器的老化行为。这个主题比看起来要重要得多，因为MLCC通常被用作电源轨中的旁路电容器，以维持这些电源轨的直流电压。这意味着这些电容器处于恒定的直流电场下。凭直觉，人们可能认为老化和直流偏置的影响是累加的—当施加直流偏置时，老化曲线应该简单地向下移动。这似乎是合理的，因为直流偏置不会随时间变化，但实际上并非如此。

在现实世界中，直流偏置下的电容器老化行为如图6所示。最初，施加直流电场之后，有效电容曲线几乎立即下降。由于偶极子锁定，这就是工作中的直流偏置效应。在直流偏置效应减小了有效电容之后（以秒为单位发生），老化效应开始发挥作用，并持续工作长达10 5秒甚至更长。

6.直流偏置下MLCC老化的有效电容下降至低于直流偏置以及与老化效应相结合时电容下降的线性总和。

但是，应该注意的是，在出现老化效应之后，施加的dc偏置实际上会使有效电容下降的幅度甚至比来自dc偏置和老化效应的电容降的线性总和还要低。这是因为在偶极子切换过程中（再次参见图5），直流偏置实际上有助于90°偶极子畴与具有最低介电常数的BaTiO 3晶格轴对齐，从而进一步减小了电容。

尽管可能很重要，但令人遗憾的是，直流偏置下的MLCC的老化行为并未成为有效电容仿真的重点。因此，它不是通常可以在MLCC数据表中找到的规范。此外，这种电容下降行为在很大程度上取决于给定MLCC的材料类型和设计结构。因此，对于性能对有效电容敏感的设计，实际电容减小的实验测量成为准确了解特定MLCC的DC偏压下老化行为的唯一方法。

MLCC不仅适用于更小，更快，最先进的设备，而且是在众多应用程序中发现的构建组件。全面了解MLCC有效电容不仅将有助于设计人员构建更稳定，更坚固的系统，而且还可以帮助防止将来出现任何潜在的可靠性问题，尤其是在最终产品投入生产后。