设计工程师不得不了解的贴片电容MLCC 的直流DC偏压特性及设计应对

多层片式陶瓷电容器（MLCC）有很多优点，其中以小尺寸和优异的储能能力为首。然而在某些条件下，当加载直流DC电压时，MLCC的电容量会下降。这个特点称为MLCC的直流偏压特性，它的存在给了不熟悉MLCC特性的设计工程师一个挑战。当越来越多的工程师发现了MLCC的优势，特别是在无线接口应用上的重要意义，很有必要理解直流偏压特性。近年来材料技术的新进展已减轻钛酸钡基（BaTiO3）陶瓷的这种影响。另外，供应商提供的简明有效的在线软件工具帮助工程师应对直流偏压特性做好相应的策划。这些供应商的在线设计工具通过清晰地解析高容量值和强直流偏压特性之间的关系，能避免工程师犯同样的错误。MLCC是发展创新性技术的关键，因此，理解它的性能和利用好供应商的引导性设计工具是设计工程师工作的重要部分。

陶瓷的优点

陶瓷元件，无论是哪个制造商，已是小型化的先锋产品。陶瓷原材料已专业制造用于缩小电容器尺寸和为MLCC主导未来开拓道路。MLCC的低阻抗，甚高的容量体积比，常常常成为比电解电容更优先考虑的选择（包括固态和液态的电解电容）。

陶瓷的大量需求同样是因是它的铁电性能，这能产生介电特性（当陶瓷晶粒响应机械应力时）和铁电性。铁电陶瓷提供的铁电常数数倍于其它的自然材料。更进一步说，这个过程引起了自发极化和反自化极化。

铁电性和自发极化

1921年发现了铁电性，当1950年BaTiO3的应用，铁电体就开始在电子应用担当了更巨大的角色。铁电材料是四方相，四角共用氧原子。但铁电体同样可归类为三种其它类型：有机聚合物、陶瓷聚合物复合材料和含活性氢复合物。

即使是在四方相中四角共用氧原子，BaTiO3被认为属于钙钛矿族（见图1）。特别地，BaTiO3是MLCC制造的理想材料，因为它常温下高的介电常数。例如，钙钛矿结构BaTiO3陶瓷的介电常数值高达7000 ，而其它陶瓷，如TiO2，介电常数在20~70之间。在很窄的温度范围内，介电常数可高达15000，而大部分的陶瓷和聚合物材料小于10。

图1 BaTiO3 陶瓷的晶体结构

钙钛矿结构在居里温度点（约130℃,指铁电陶瓷的相比温度）以上是立方相。温度低于居里点时，其中的一个晶轴（C轴）伸长，别一晶轴轻微收缩，转变国四方相（图2）。此时，位于晶胞轴向的Ti 4+原子远离晶胞中心，发生极了。换名句话说，极化是由晶体结构不对称引起的，它是在没有外电场或压力作用下发生的。这类型的极化被称为自化极化。

图2 纯BaTiO3晶体结构和相对介电常数随温度的变化

待续......

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jmsanjv

LV.3

2012-08-22 15:36

BaTiO3系陶瓷是微晶集合体（多晶体）有亚微米直径，如图3所示。这些微晶叫做晶粒，晶体结构是整齐排列的。温度低于居里点时，这些晶粒被随机的分割为很多方向的畴。在每个畴内，晶轴方向是一致的，它就是我们所知的自发极化。

当BaTiO3系陶瓷加热到居里点以上时，晶体结构从四方相转变为立方相。自发极化畴随之消失。当冷却到居里温度以下时，反过来，立方相转变为四方相，同时晶粒受到周围的挤压产生应力。在这温度点上，晶粒中的几个小畴会出现，每个畴的自发极化可以很易被低的电场反转。由于相对介电常驻与每单位体积的自发极化相对应，因而可测得很高的容量值。

图3 BaTiO3系陶瓷的微结构

10227

LV.7

2012-08-22 16:15

@jmsanjv

BaTiO3系陶瓷是微晶集合体（多晶体）有亚微米直径，如图3所示。这些微晶叫做晶粒，晶体结构是整齐排列的。温度低于居里点时，这些晶粒被随机的分割为很多方向的畴。在每个畴内，晶轴方向是一致的，它就是我们所知的自发极化。当BaTiO3系陶瓷加热到居里点以上时，晶体结构从四方相转变为立方相。自发极化畴随之消失。当冷却到居里温度以下时，反过来，立方相转变为四方相，同时晶粒受到周围的挤压产生应力。在这温度点上，晶粒中的几个小畴会出现，每个畴的自发极化可以很易被低的电场反转。由于相对介电常驻与每单位体积的自发极化相对应，因而可测得很高的容量值。图3 BaTiO3系陶瓷的微结构[图片]

如内容所述当加载直流DC电压时,MLCC的电容量会下降,

这个特点称为MLCC的直流偏压特性,

所谓加载直流DC电压是指超过耐电压操作,

还是只要加上DC电压就会产生此特性?

jmsanjv

LV.3

2012-08-23 09:16

@10227

如内容所述当加载直流DC电压时,MLCC的电容量会下降,这个特点称为MLCC的直流偏压特性,所谓加载直流DC电压是指超过耐电压操作,还是只要加上DC电压就会产生此特性?

直流偏压特性能

问题并不源于自发极化，而是源于自发极化的反转。当自发极化在没有电压应力（直流偏压）下反转时，MLCC获得高的容量值。然而，如果外部电场作用在自化极化过程时，自发极化就会变得很因难。因此，容量值比没加上直流偏压时会低很多。这就是当直流偏压作用下为什么容量值下降的原因，术语就叫做直流偏压特性。

比自发极化更不为人所知的是在MLCC铁电陶瓷中的这个独特直流偏压现象，它常常给习惯于使用钽和电解电容器的设计工程师带来惊奇。电解电容器是非铁电性的低介电常数材料，它们的容量值是通过非常高的正对面积和纳米级介质厚度获得的，其容量值与作用电压无关。

图4 展示的是在常温下不同温度特性类型的MLCC直流偏压特性。温度补偿型（COG、U2J 等）的主要元件是顺电性陶瓷，容量值不会随直流偏压的变化而变化。相应地，高介电常数BaTiO3系陶瓷（X7R、X5R等）的容量值在直流偏压下会下降。

图4 容量值-直流DC偏压特性

10227

LV.7

2012-08-23 09:37

@jmsanjv

直流偏压特性能问题并不源于自发极化，而是源于自发极化的反转。当自发极化在没有电压应力（直流偏压）下反转时，MLCC获得高的容量值。然而，如果外部电场作用在自化极化过程时，自发极化就会变得很因难。因此，容量值比没加上直流偏压时会低很多。这就是当直流偏压作用下为什么容量值下降的原因，术语就叫做直流偏压特性。比自发极化更不为人所知的是在MLCC铁电陶瓷中的这个独特直流偏压现象，它常常给习惯于使用钽和电解电容器的设计工程师带来惊奇。电解电容器是非铁电性的低介电常数材料，它们的容量值是通过非常高的正对面积和纳米级介质厚度获得的，其容量值与作用电压无关。图4展示的是在常温下不同温度特性类型的MLCC直流偏压特性。温度补偿型（COG、U2J等）的主要元件是顺电性陶瓷，容量值不会随直流偏压的变化而变化。相应地，高介电常数BaTiO3系陶瓷（X7R、X5R等）的容量值在直流偏压下会下降。图4容量值-直流DC偏压特性[图片]

原来如此,感谢!