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技術專題
在直流偏置下診斷II類MLCC有效電容和老化
數十年來，多層陶瓷電容器（MLCC）由于具有許多優勢（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。大多數設計人員都知道，當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，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準信號條件是1 kHz時500 mV RMS。這表明與1 μF標稱電容相比降低了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，從而導致電容減小。直流偏置效應已被所有電氣工程師充分觀察到。
現在，如果在標準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
有效電容的交流電壓依賴性機制比直流偏置效應復雜得多。這是由于所施加的電場與通量密度之間的電介質的非線性介電常數（磁滯效應）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會變得更加明顯，并且有效電容可能會下降多達30％（再次參見圖3）。
另一方面，如果由于直流偏置效應而使電容降已經超過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慎考慮有效電容。
TCC和頻率依賴性
在典型的MLCC數據表上可以找到另外兩個圖，分別是電容的溫度特性（TCC）和頻率相關特性。與直流偏置和交流電壓相關的影響相比，TCC和頻率相關的影響不那么明顯，在大多數情況下，電容變化的貢獻不到20％。
TCC由MLCC的電介質類型（例如X5R，X6S，X7R等）調節。因此，電容變化在每種介電類型的定義之內就不足為奇了。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。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老化效應表明，MLCC的電容根據以下方程式隨時間呈對數減小：
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，隨MLCC類型而變化；t =老化時間。
老化現象歸因于BaTiO 3的內部結構特征，其中電容隨著偶極子緩慢地重新排列其取向而減小，以穩定內部機械應力（圖5）。通常，出于以下兩個原因，老化行為相對較少受到關注。首先，老化是可逆的。可以通過將MLCC加熱到125°C或居里點以上來恢復減小的電容，居里點上的偶極子將重新排列，電容將恢復。這種熱處理稱為“老化”，并在標稱電容測量之前觀察到。
5.當溫度降到居里點以下時，MLCC會發生老化。偶極子切換到90°域以減輕內部機械應力。
其次，考慮到電容下降的對數性質，在老化的前1000個小時內，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“穩定”了。盡管如此，從產品可靠性的角度來看，老化仍然是設計師要考慮的重要話題，因為自然界中幾乎所有最終產品都必須能夠運行1000小時以上。
老化和直流偏置
與老化有關的另一個主題，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，人們可能認為老化和直流偏置的影響是累加的—當施加直流偏置時，老化曲線應該簡單地向下移動。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。在直流偏置效應減小了有效電容之后（以秒為單位發生），老化效應開始發揮作用，并持續工作長達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相結合時電容下降的線性總和。
但是，應該注意的是，在出現老化效應之后，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的BaTiO 3晶格軸對齊，從而進一步減小了電容。
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，它不是通常可以在MLCC數據表中找到的規范。此外，這種電容下降行為在很大程度上取決于給定MLCC的材料類型和設計結構。因此，對于性能對有效電容敏感的設計，實際電容減小的實驗測量成為準確了解特定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，最先進的設備，而且是在眾多應用程序中發現的構建組件。全面了解MLCC有效電容不僅將有助于設計人員構建更穩定，更堅固的系統，而且還可以幫助防止將來出現任何潛在的可靠性問題，尤其是在最終產品投入生產后。