解析直流偏压现象
发布日期:2024-01-29
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在构建多层陶瓷电容器（MLCC）时，电气工程师们通常会根据应用选择两类电介质——1类，非铁电材料介质，如C0G/NP0；2类，铁电材料介质，如X5R和X7R。它们之间的关键区别在于，随着电压和温度的提升，电容是否还具备良好的稳定性。对于1类电介质，当施加直流电压、工作温度上升时，容值保持稳定；2类电介质具有较高的介电常数（K），但在温度、电压、频率变化的情况下以及随着时间的推移，容值不太稳定。
虽然可以通过各类设计变更来提高容值，例如改变电极层的表面积、层数、K值或两个电极层之间的距离，但当施加直流电压时，2类电介质的容值最终仍会急剧下降。这是由于一种叫做直流偏压现象的存在，导致2类铁电配方在施加直流电压时最终会出现介电常数的下降。
对于较高K值的介质材料，直流偏压的影响可能更严重，电容器有可能损失高达90%甚至更多的容值，如图1所示。
图1. X7R电容的电压变化曲线
材料的介电强度，即一定厚度的材料所能承受的电压，也能改变直流偏压对电容器的影响。在美国，介电强度通常以伏特/密耳为单位（1密耳等于0.001英寸），在其他地方则以伏特/微米为单位，它由电介质层的厚度决定。因此，具有相同容值和额定电压的不同电容器由于各自不同的内部结构，其性能表现可能存在较大差异。
值得注意的是，当施加的电压大于材料的介电强度时，火花将穿过材料，导致潜在的点火或小规模的爆炸风险。
直流偏压如何产生的实际案例
如果把工作电压导致的容值变化与温度变化结合起来考虑，那么我们会发现在特定应用温度和直流电压下，电容的容值损失会更大。以某X7R材质的MLCC为例，其容值为0.1μF，额定电压为200VDC，内部层数为35，厚度为1.8密耳（0.0018英寸或45.72微米），这意味着在200VDC下工作时，电介质层只经历111伏/密耳或4.4伏/微米。粗略计算，VC将为-15%。如果电介质的温度系数为±15%ΔC，VC为-15%ΔC，那么最大的TVC为+15%-30%ΔC。
造成这种变化的原因在于所使用的2类材料的晶体结构——在该案例中为钛酸钡（BaTiO3）。该材料在达到居里温度或以上时，具有立方体的晶体结构。然而，当温度恢复到环境温度时，由于温度降低使材料的结构发生变化，就会发生极化。极化的发生不需要任何外部电场或压力，这被称为自发极化或铁电性。当在环境温度下对材料施加直流电压时，自发极化与直流电压的电场方向相连，并发生自发极化的逆转，从而导致容值减少。
如今，即使有了各式各样的设计工具来提高容值，但由于直流偏压现象的存在，当施加直流电压时，2类电介质的容值仍会大幅度地降低。因此，为了确保应用的长期可靠性，您选择MLCC时，除了需要考虑MLCC的额定容值，还需将直流偏压对元件的影响纳入考量。
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