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直流偏置对MLCC2类电容器的影响

2021-08-18 来源:雅安农业机械网

直流偏置对MLCC 2类电容器的影响

并非所有电容器都相等。有些是极化的,有些是超稳定的,有些则具有较低的介电吸收或较高的体积效率,所有这些都取决于制造技术中使用的材料和其他物理特性。根据电介质使用的材料,多层陶瓷电容器(MLCC)分为类型或类别中国机械网okmao.com。

这些电容器具有一个特别容易被忽略但在设计中选择器件时需要考虑的参数。这就是“直流偏置特性”,即在端子之间施加直流电压时电容的变化。显然,电源旁路应用将电容器置于直流电压两端。从本质上讲,电荷泵在电容器两端也具有直流电压。用于在电荷泵中传输电荷的“飞跨电容器”以及输入和输出电容器都需要处理直流电压偏置,因此也容易受到这种现象的影响。

1级和2级

当今使用的两种主要类型的MLCC是1类(温度补偿)和2类(高介电常数),但是还有其他一些较不常见和过时的类。

1类(或I类)电容器使用二氧化钛(TiO 2)作为介电材料。2类(或II类)电容器使用钛酸钡(BaTiO 3)和添加剂。1类MLCC具有较低的电容值,并且比2类电容器更稳定。1类类型通常用于稳定性最重要的应用中,例如在调谐电路中。如果电容器的EIA温度特性以C,H,L,M,N或P(如C0G)开头,则它是1类MLCC。2类MLCC电容器具有更高的体积效率和其他1类MLCC电容器所没有的独特特性。如果EIA温度特性以X,Y或Z(例如X7R)开头,则它是2级MLCC。

对于使用MLCC进行交流耦合或电容器两端直流电压很小的应用,该直流偏置效应将不是一个因素。由于2类MLCC电容器具有许多吸引人的特性,例如低泄漏,高纹波电流容量和较小的物理尺寸,因此即使在此特性不理想的情况下,它们还是电荷泵中的首选。在这些产品中使用MLCC电容器时,由于电容器的实际电容直接影响电荷泵的性能,因此这个经常被忽视的参数变得显而易见。

直流偏置电压灵敏度

直流偏置现象是所有2类(也称为2类)陶瓷电容器的特征。所有制造商都使用相似的材料并具有相似的性能,但这可能会有所不同。根据具体应用,需要仔细选择设计中使用的电容器。额定电压,外壳尺寸,温度特性(Z5U,X7R等),最终产品的物理尺寸限制以及输出功率水平均会影响选择,从而针对给定应用优化设计。

与电容值和电压额定值较低的电容器相比,电容值和电压额定值较低的电容器对直流偏置的影响要小得多。大部分使用24-48 V输入电压的应用都会受到电容器的DC偏置性能的极大影响。这在图1和2中针对两个相对较高的电容和额定电压的器件进行了说明。

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图1:一个22 uF X5R,35 V 1210电容器的直流偏置对电容的影响示例。

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图2:10 uF X5R,50 V 1210电容器的DC偏置示例

随着额定电压和/或电容值的升高,电容器上的直流偏置效应变得更加明显。随着表壳尺寸的减小,效果也会更加明显。电源应用的最佳电容高度取决于需要提供的电流。尽管改善了纹波电压,但更大的电容并不能使性能明显高于某个值。以下信息说明了在设计中选择电容器时需要进行的取舍。

不幸的是,直流偏置性能并不总是在电容器的数据手册中发布,因此经常需要进行一些研究以获得性能数据。没有直流偏置数据可用的电容器应经过严格测试,以确保性能可接受。同样,在将新电容器替换为现有设计时要小心。需要验证性能以确保设计仍可按要求工作。改变供应商或温度特性,例如从Z5U变为X7R,会大大改变DC偏置性能。

MLCC额定电压与电容

使用额定电压比可能需要的更高的电容器可以通过保持较高百分比的额定电容来抵消电容减小的影响。通常仅在施加很小的直流电压的情况下指定和测量电容额定值,因此在额定最大直流电压下,实际电容通常会小得多。通常选择电容器时,应在额定电压和施加电压之间留有一定的电压裕量,但是在以下情况下,为了说明这一点,将忽略此电容。

例如,一个在25伏直流电下工作的4.7 uF 25 V,0805,X5R电容器实际上约为其额定值的15%或0.705 uF。直流电压为25伏时,一个4.7 uF,50 V,1210 X5R电容器约为其额定值的50%或2.35 uF。4.7 uF 100 V,1210 X5R电容器将为其额定值的70%或3.3 uF。使用较高额定电压的替代方法是并联使用较低电压的电容器,这在较高额定电压的部件不可用或价格太昂贵的某些情况下可能是一个很好的权衡。

图1显示了一个22 uF,35 V 1210电容器的直流偏置电容的示例(35 V是在1210外壳尺寸下可用的最高电压22 uF电容器)。在25 V时,它损失了约80%的额定电容,因此实际电容约为4.4 uF。图2显示了10uF,50V,1210电容器的性能。在25 V时,它的初始电容损失了60%以上,因此低于4 uF。因此,即使10uF / 50V电容器的额定容量不到电容的一半,但在25V时,其电容与22uF / 35V电容器几乎相同。但是,一个22 uF的电容器也几乎是10 uF成本的两倍,因此,相对于电容成本,10 uF 50 V更具成本效益。

使用MLCC时,外壳尺寸与电容的关系

在电容器中,物理尺寸确实很重要,因为较小的外壳尺寸也会影响直流偏置电容的减小。再次看一下4.7 uF,50 V 1210电容器作为参考,工作在25V电压下的4.7uF,50 V 0805电容器的电容减小到0.47uF,或小于1210外壳尺寸的电容的四分之一。当减小外壳尺寸时,这是典型的直流偏置对电容的影响。

MLCC电容值与外壳尺寸的关系

最后,对于给定的外壳尺寸和额定电压,电容值也会有所不同。与之前的4.7 uF 50 V 0805降低到0.47 uF相比,在25 V下使用的1 uF 50 V 0805电容器将仅为0.43 uF,因此1 uF略小于额定值的一半,其中4.7 uF约为额定值的十分之一。因此,对于给定的外壳尺寸,随着额定电容的增加,对真实电容的影响非常明显。