在直流偏置下诊断II类MLCC有(yǒu)效電(diàn)容和老化

2020-07-06

数十年来，多(duō)层陶瓷電(diàn)容器（MLCC）由于具有(yǒu)许多(duō)优势（例如，可(kě)用(yòng)電(diàn)容范围宽，无极性，低ESR和低成本）而成為(wèi)表面贴装電(diàn)容器的首选。大多(duō)数设计人员都知道，当在電(diàn)容器上施加直流偏置时，II类MLCC的有(yǒu)效電(diàn)容会大大降低。

但是，除了直流偏置效应外，其他(tā)重要因素也会影响II类MLCC的有(yǒu)效電(diàn)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(kě)能(néng)是有(yǒu)效電(diàn)容的最有(yǒu)效降低器。例如，通过施加3 V直流電(diàn)（额定電(diàn)压的47％），可(kě)以将1 µF，6.3 V额定值的X5R MLCC的有(yǒu)效電(diàn)容减小(xiǎo)至0.36 µF。请注意，用(yòng)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标称電(diàn)容相比降低了64％（图1）。

1.在此图中，我们看到有(yǒu)效電(diàn)容如何随着施加的直流偏置電(diàn)压的增加而下降。

当施加直流電(diàn)压时，一些钛酸钡（BaTiO 3； II类MLCC使用(yòng)的介電(diàn)材料）偶极子被锁定。当交流電(diàn)压变化时，这些锁定的偶极子将不再能(néng)够移动，从而导致電(diàn)容减小(xiǎo)。直流偏置效应已被所有(yǒu)電(diàn)气工程师充分(fēn)观察到。

现在，如果在标准测量条件下将交流電(diàn)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(yǒu)效電(diàn)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(yǒu)效電(diàn)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直流偏置電(diàn)压的情况下，不同交流電(diàn)压電(diàn)平下的有(yǒu)效電(diàn)容。

交流電(diàn)压依赖性和直流偏置效应

有(yǒu)效電(diàn)容的交流電(diàn)压依赖性机制比直流偏置效应复杂得多(duō)。这是由于所施加的電(diàn)场与通量密度之间的電(diàn)介质的非線(xiàn)性介電(diàn)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，测得的電(diàn)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，電(diàn)容开始减小(xiǎo)。

3.交流電(diàn)压電(diàn)平会影响未施加直流偏置的有(yǒu)效電(diàn)容，如下图所示。

另一个要点是，直流偏置的電(diàn)平还会影响交流電(diàn)压对有(yǒu)效電(diàn)容的影响。当施加的直流電(diàn)压较小(xiǎo)时，如果交流電(diàn)压幅度也接近于零，则交流電(diàn)压依赖性效应会变得更加明显，并且有(yǒu)效電(diàn)容可(kě)能(néng)会下降多(duō)达30％（再次参见图3）。

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

TCC和频率依赖性

在典型的MLCC数据表上可(kě)以找到另外两个图，分(fēn)别是電(diàn)容的温度特性（TCC）和频率相关特性。与直流偏置和交流電(diàn)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(duō)数情况下，電(diàn)容变化的贡献不到20％。

TCC由MLCC的電(diàn)介质类型（例如X5R，X6S，X7R等）调节。因此，電(diàn)容变化在每种介電(diàn)类型的定义之内就不足為(wèi)奇了。例如，X5R或X7R的变化為(wèi)15％。但是请注意，由TCC定义的電(diàn)容变化范围与電(diàn)容容差无关。因此，对于22 µF，20％的X7R MLCC，在最坏的情况下，初始電(diàn)容可(kě)能(néng)低至15 µF [22 µF×80％（公差的下限）×85％（假设它保持不变）。在125°C时電(diàn)容的85％）= 14.96 µF]，甚至在施加任何電(diàn)压之前也是如此。

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

4.不同的频率水平也会影响有(yǒu)效電(diàn)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的電(diàn)容根据以下方程式随时间呈对数减小(xiǎo)：

C（t）= C（t 0）*（1-k * log 10（t）），

其中C（t 0）=初始電(diàn)容值；C（t）=電(diàn)容值，开始老化后t小(xiǎo)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，其中電(diàn)容随着偶极子缓慢地重新(xīn)排列其取向而减小(xiǎo)，以稳定内部机械应力（图5）。通常，出于以下两个原因，老化行為(wèi)相对较少受到关注。首先，老化是可(kě)逆的。可(kě)以通过将MLCC加热到125°C或居里点以上来恢复减小(xiǎo)的電(diàn)容，居里点上的偶极子将重新(xīn)排列，電(diàn)容将恢复。这种热处理(lǐ)称為(wèi)“老化”，并在标称電(diàn)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，考虑到電(diàn)容下降的对数性质，在老化的前1000个小(xiǎo)时内，電(diàn)容的损耗最為(wèi)明显。MLCC的有(yǒu)效電(diàn)容在1000小(xiǎo)时后由于電(diàn)容降变得很(hěn)小(xiǎo)而基本上“稳定”了。尽管如此，从产品可(kě)靠性的角度来看，老化仍然是设计师要考虑的重要话题，因為(wèi)自然界中几乎所有(yǒu)最终产品都必须能(néng)够运行1000小(xiǎo)时以上。

老化和直流偏置

与老化有(yǒu)关的另一个主题，尽管了解得很(hěn)少，但是直流偏置下電(diàn)容器的老化行為(wèi)。这个主题比看起来要重要得多(duō)，因為(wèi)MLCC通常被用(yòng)作電(diàn)源轨中的旁路電(diàn)容器，以维持这些電(diàn)源轨的直流電(diàn)压。这意味着这些電(diàn)容器处于恒定的直流電(diàn)场下。凭直觉，人们可(kě)能(néng)认為(wèi)老化和直流偏置的影响是累加的—当施加直流偏置时，老化曲線(xiàn)应该简单地向下移动。这似乎是合理(lǐ)的，因為(wèi)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，直流偏置下的電(diàn)容器老化行為(wèi)如图6所示。最初，施加直流電(diàn)场之后，有(yǒu)效電(diàn)容曲線(xiàn)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(xiǎo)了有(yǒu)效電(diàn)容之后（以秒(miǎo)為(wèi)单位发生），老化效应开始发挥作用(yòng)，并持续工作長(cháng)达10 5秒(miǎo)甚至更長(cháng)。

6.直流偏置下MLCC老化的有(yǒu)效電(diàn)容下降至低于直流偏置以及与老化效应相结合时電(diàn)容下降的線(xiàn)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(yǒu)效電(diàn)容下降的幅度甚至比来自dc偏置和老化效应的電(diàn)容降的線(xiàn)性总和还要低。这是因為(wèi)在偶极子切换过程中（再次参见图5），直流偏置实际上有(yǒu)助于90°偶极子畴与具有(yǒu)最低介電(diàn)常数的BaTiO 3晶格轴对齐，从而进一步减小(xiǎo)了電(diàn)容。

尽管可(kě)能(néng)很(hěn)重要，但令人遗憾的是，直流偏置下的MLCC的老化行為(wèi)并未成為(wèi)有(yǒu)效電(diàn)容仿真的重点。因此，它不是通常可(kě)以在MLCC数据表中找到的规范。此外，这种電(diàn)容下降行為(wèi)在很(hěn)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(néng)对有(yǒu)效電(diàn)容敏感的设计，实际電(diàn)容减小(xiǎo)的实验测量成為(wèi)准确了解特定MLCC的DC偏压下老化行為(wèi)的唯一方法。

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