解析直流偏壓現象
發(fā)布日期:2024-01-29
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在構建多層陶瓷電容器（MLCC）時，電氣工程師們通常會根據應用選擇兩類電介質——1類，非鐵電材料介質，如C0G/NP0；2類，鐵電材料介質，如X5R和X7R。它們之間的關鍵區(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，當施加直流電壓、工作溫度上升時，容值保持穩(wěn)定；2類電介質具有較高的介電常數（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計變更來提高容值，例如改變電極層的表面積、層數、K值或兩個電極層之間的距離，但當施加直流電壓時，2類電介質的容值最終仍會急劇下降。這是由于一種叫做直流偏壓現象的存在，導致2類鐵電配方在施加直流電壓時最終會出現介電常數的下降。
對于較高K值的介質材料，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部結構，其性能表現可能存在較大差異。
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合起來考慮，那么我們會發(fā)現在特定應用溫度和直流電壓下，電容的容值損失會更大。以某X7R材質的MLCC為例，其容值為0.1μF，額定電壓為200VDC，內部層數為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，電介質層只經歷111伏/密耳或4.4伏/微米。粗略計算，VC將為-15%。如果電介質的溫度系數為±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類材料的晶體結構——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構。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構發(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，從而導致容值減少。
如今，即使有了各式各樣的設計工具來提高容值，但由于直流偏壓現象的存在，當施加直流電壓時，2類電介質的容值仍會大幅度地降低。因此，為了確保應用的長期可靠性，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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