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設(shè)計(jì)工程師不得不了解的貼片電容MLCC 的直流DC偏壓特性及設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)

         多層片式陶瓷電容器(MLCC)有很多優(yōu)點(diǎn),其中以小尺寸和優(yōu)異的儲(chǔ)能能力為首。然而在某些條件下,當(dāng)加載直流DC電壓時(shí),MLCC的電容量會(huì)下降。這個(gè)特點(diǎn)稱為MLCC直流偏壓特性,它的存在給了不熟悉MLCC特性的設(shè)計(jì)工程師一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)越來(lái)越多的工程師發(fā)現(xiàn)了MLCC的優(yōu)勢(shì),特別是在無(wú)線接口應(yīng)用上的重要意義,很有必要理解直流偏壓特性。近年來(lái)材料技術(shù)的新進(jìn)展已減輕鈦酸鋇基(BaTiO3)陶瓷的這種影響。另外,供應(yīng)商提供的簡(jiǎn)明有效的在線軟件工具幫助工程師應(yīng)對(duì)直流偏壓特性做好相應(yīng)的策劃。這些供應(yīng)商的在線設(shè)計(jì)工具通過(guò)清晰地解析高容量值和強(qiáng)直流偏壓特性之間的關(guān)系,能避免工程師犯同樣的錯(cuò)誤。MLCC是發(fā)展創(chuàng)新性技術(shù)的關(guān)鍵,因此,理解它的性能和利用好供應(yīng)商的引導(dǎo)性設(shè)計(jì)工具是設(shè)計(jì)工程師工作的重要部分。

     

陶瓷的優(yōu)點(diǎn)

     陶瓷元件,無(wú)論是哪個(gè)制造商,已是小型化的先鋒產(chǎn)品。陶瓷原材料已專業(yè)制造用于縮小電容器尺寸和為MLCC主導(dǎo)未來(lái)開(kāi)拓道路。MLCC的低阻抗,甚高的容量體積比,常常常成為比電解電容更優(yōu)先考慮的選擇(包括固態(tài)和液態(tài)的電解電容)。

          陶瓷的大量需求同樣是因是它的鐵電性能,這能產(chǎn)生介電特性(當(dāng)陶瓷晶粒響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力時(shí))和鐵電性。鐵電陶瓷提供的鐵電常數(shù)數(shù)倍于其它的自然材料。更進(jìn)一步說(shuō),這個(gè)過(guò)程引起了自發(fā)極化和反自化極化。

 

鐵電性和自發(fā)極化

        1921年發(fā)現(xiàn)了鐵電性,當(dāng)1950BaTiO3的應(yīng)用,鐵電體就開(kāi)始在電子應(yīng)用擔(dān)當(dāng)了更巨大的角色。鐵電材料是四方相,四角共用氧原子。但鐵電體同樣可歸類為三種其它類型:有機(jī)聚合物、陶瓷聚合物復(fù)合材料和含活性氫復(fù)合物。

       即使是在四方相中四角共用氧原子,BaTiO3被認(rèn)為屬于鈣鈦礦族(見(jiàn)圖1)。特別地,BaTiO3MLCC制造的理想材料,因?yàn)樗叵赂叩慕殡姵?shù)。 例如,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)BaTiO3陶瓷的介電常數(shù)值高達(dá)7000 ,而其它陶瓷,如TiO2,介電常數(shù)在20~70之間。在很窄的溫度范圍內(nèi),介電常數(shù)可高達(dá)15000,而大部分的陶瓷和聚合物材料小于10。

 

       1  BaTiO3 陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)

 

  

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在居里溫度點(diǎn)(約130,指鐵電陶瓷的相比溫度)以上是立方相。溫度低于居里點(diǎn)時(shí),其中的一個(gè)晶軸(C軸)伸長(zhǎng),別一晶軸輕微收縮,轉(zhuǎn)變國(guó)四方相(圖2)。此時(shí),位于晶胞軸向的Ti 4+原子遠(yuǎn)離晶胞中心,發(fā)生極了。換名句話說(shuō),極化是由晶體結(jié)構(gòu)不對(duì)稱引起的,它是在沒(méi)有外電場(chǎng)或壓力作用下發(fā)生的。這類型的極化被稱為自化極化。

    

         圖2  BaTiO3晶體結(jié)構(gòu)和相對(duì)介電常數(shù)隨溫度的變化

 

 

 待續(xù)......

 


 

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jmsanjv
LV.3
2
2012-08-22 15:36

  BaTiO3系陶瓷是微晶集合體(多晶體)有亞微米直徑,如圖3所示。這些微晶叫做晶粒,晶體結(jié)構(gòu)是整齊排列的。溫度低于居里點(diǎn)時(shí),這些晶粒被隨機(jī)的分割為很多方向的疇。在每個(gè)疇內(nèi),晶軸方向是一致的,它就是我們所知的自發(fā)極化。

 

當(dāng)BaTiO3系陶瓷加熱到居里點(diǎn)以上時(shí),晶體結(jié)構(gòu)從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较?。自發(fā)極化疇隨之消失。當(dāng)冷卻到居里溫度以下時(shí),反過(guò)來(lái),立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?,同時(shí)晶粒受到周圍的擠壓產(chǎn)生應(yīng)力。在這溫度點(diǎn)上,晶粒中的幾個(gè)小疇會(huì)出現(xiàn),每個(gè)疇的自發(fā)極化可以很易被低的電場(chǎng)反轉(zhuǎn)。由于相對(duì)介電常駐與每單位體積的自發(fā)極化相對(duì)應(yīng),因而可測(cè)得很高的容量值。

 

3  BaTiO3系陶瓷的微結(jié)構(gòu)

 

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10227
LV.7
3
2012-08-22 16:15
@jmsanjv
 BaTiO3系陶瓷是微晶集合體(多晶體)有亞微米直徑,如圖3所示。這些微晶叫做晶粒,晶體結(jié)構(gòu)是整齊排列的。溫度低于居里點(diǎn)時(shí),這些晶粒被隨機(jī)的分割為很多方向的疇。在每個(gè)疇內(nèi),晶軸方向是一致的,它就是我們所知的自發(fā)極化。 當(dāng)BaTiO3系陶瓷加熱到居里點(diǎn)以上時(shí),晶體結(jié)構(gòu)從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较?。自發(fā)極化疇隨之消失。當(dāng)冷卻到居里溫度以下時(shí),反過(guò)來(lái),立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?,同時(shí)晶粒受到周圍的擠壓產(chǎn)生應(yīng)力。在這溫度點(diǎn)上,晶粒中的幾個(gè)小疇會(huì)出現(xiàn),每個(gè)疇的自發(fā)極化可以很易被低的電場(chǎng)反轉(zhuǎn)。由于相對(duì)介電常駐與每單位體積的自發(fā)極化相對(duì)應(yīng),因而可測(cè)得很高的容量值。 圖3 BaTiO3系陶瓷的微結(jié)構(gòu)[圖片] 

如內(nèi)容所述當(dāng)加載直流DC電壓時(shí),MLCC的電容量會(huì)下降,

這個(gè)特點(diǎn)稱為MLCC直流偏壓特性,

所謂加載直流DC電壓是指超過(guò)耐電壓操作,

還是只要加上DC電壓就會(huì)產(chǎn)生此特性?

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jmsanjv
LV.3
4
2012-08-23 09:16
@10227
如內(nèi)容所述當(dāng)加載直流DC電壓時(shí),MLCC的電容量會(huì)下降,這個(gè)特點(diǎn)稱為MLCC的直流偏壓特性,所謂加載直流DC電壓是指超過(guò)耐電壓操作,還是只要加上DC電壓就會(huì)產(chǎn)生此特性?

直流偏壓特性能

問(wèn)題并不源于自發(fā)極化,而是源于自發(fā)極化的反轉(zhuǎn)。當(dāng)自發(fā)極化在沒(méi)有電壓應(yīng)力(直流偏壓)下反轉(zhuǎn)時(shí),MLCC獲得高的容量值。然而,如果外部電場(chǎng)作用在自化極化過(guò)程時(shí),自發(fā)極化就會(huì)變得很因難。因此,容量值比沒(méi)加上直流偏壓時(shí)會(huì)低很多。這就是當(dāng)直流偏壓作用下為什么容量值下降的原因,術(shù)語(yǔ)就叫做直流偏壓特性。

比自發(fā)極化更不為人所知的是在MLCC鐵電陶瓷中的這個(gè)獨(dú)特直流偏壓現(xiàn)象,它常常給習(xí)慣于使用鉭和電解電容器的設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)驚奇。電解電容器是非鐵電性的低介電常數(shù)材料,它們的容量值是通過(guò)非常高的正對(duì)面積和納米級(jí)介質(zhì)厚度獲得的,其容量值與作用電壓無(wú)關(guān)。

4 展示的是在常溫下不同溫度特性類型的MLCC直流偏壓特性。溫度補(bǔ)償型(COG、U2J 等)的主要元件是順電性陶瓷,容量值不會(huì)隨直流偏壓的變化而變化。相應(yīng)地,高介電常數(shù)BaTiO3系陶瓷(X7R、X5R等)的容量值在直流偏壓下會(huì)下降。

  4 容量值-直流DC偏壓特性 

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10227
LV.7
5
2012-08-23 09:37
@jmsanjv
直流偏壓特性能問(wèn)題并不源于自發(fā)極化,而是源于自發(fā)極化的反轉(zhuǎn)。當(dāng)自發(fā)極化在沒(méi)有電壓應(yīng)力(直流偏壓)下反轉(zhuǎn)時(shí),MLCC獲得高的容量值。然而,如果外部電場(chǎng)作用在自化極化過(guò)程時(shí),自發(fā)極化就會(huì)變得很因難。因此,容量值比沒(méi)加上直流偏壓時(shí)會(huì)低很多。這就是當(dāng)直流偏壓作用下為什么容量值下降的原因,術(shù)語(yǔ)就叫做直流偏壓特性。比自發(fā)極化更不為人所知的是在MLCC鐵電陶瓷中的這個(gè)獨(dú)特直流偏壓現(xiàn)象,它常常給習(xí)慣于使用鉭和電解電容器的設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)驚奇。電解電容器是非鐵電性的低介電常數(shù)材料,它們的容量值是通過(guò)非常高的正對(duì)面積和納米級(jí)介質(zhì)厚度獲得的,其容量值與作用電壓無(wú)關(guān)。圖4展示的是在常溫下不同溫度特性類型的MLCC直流偏壓特性。溫度補(bǔ)償型(COG、U2J等)的主要元件是順電性陶瓷,容量值不會(huì)隨直流偏壓的變化而變化。相應(yīng)地,高介電常數(shù)BaTiO3系陶瓷(X7R、X5R等)的容量值在直流偏壓下會(huì)下降。 圖4容量值-直流DC偏壓特性[圖片] 

原來(lái)如此,感謝!

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jmsanjv
LV.3
6
2012-08-24 09:50
@10227
原來(lái)如此,感謝!

技術(shù)交流,希望對(duì)電路設(shè)計(jì)工程師的工作有用!

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woshiyean
LV.3
7
2014-05-27 12:22
@jmsanjv
直流偏壓特性能問(wèn)題并不源于自發(fā)極化,而是源于自發(fā)極化的反轉(zhuǎn)。當(dāng)自發(fā)極化在沒(méi)有電壓應(yīng)力(直流偏壓)下反轉(zhuǎn)時(shí),MLCC獲得高的容量值。然而,如果外部電場(chǎng)作用在自化極化過(guò)程時(shí),自發(fā)極化就會(huì)變得很因難。因此,容量值比沒(méi)加上直流偏壓時(shí)會(huì)低很多。這就是當(dāng)直流偏壓作用下為什么容量值下降的原因,術(shù)語(yǔ)就叫做直流偏壓特性。比自發(fā)極化更不為人所知的是在MLCC鐵電陶瓷中的這個(gè)獨(dú)特直流偏壓現(xiàn)象,它常常給習(xí)慣于使用鉭和電解電容器的設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)驚奇。電解電容器是非鐵電性的低介電常數(shù)材料,它們的容量值是通過(guò)非常高的正對(duì)面積和納米級(jí)介質(zhì)厚度獲得的,其容量值與作用電壓無(wú)關(guān)。圖4展示的是在常溫下不同溫度特性類型的MLCC直流偏壓特性。溫度補(bǔ)償型(COG、U2J等)的主要元件是順電性陶瓷,容量值不會(huì)隨直流偏壓的變化而變化。相應(yīng)地,高介電常數(shù)BaTiO3系陶瓷(X7R、X5R等)的容量值在直流偏壓下會(huì)下降。 圖4容量值-直流DC偏壓特性[圖片] 

這個(gè)寫(xiě)的不錯(cuò),原來(lái)最熟悉器件的還是你們啊!

我們這些做電源的自愧不如!

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2017-12-29 17:04
@jmsanjv
直流偏壓特性能問(wèn)題并不源于自發(fā)極化,而是源于自發(fā)極化的反轉(zhuǎn)。當(dāng)自發(fā)極化在沒(méi)有電壓應(yīng)力(直流偏壓)下反轉(zhuǎn)時(shí),MLCC獲得高的容量值。然而,如果外部電場(chǎng)作用在自化極化過(guò)程時(shí),自發(fā)極化就會(huì)變得很因難。因此,容量值比沒(méi)加上直流偏壓時(shí)會(huì)低很多。這就是當(dāng)直流偏壓作用下為什么容量值下降的原因,術(shù)語(yǔ)就叫做直流偏壓特性。比自發(fā)極化更不為人所知的是在MLCC鐵電陶瓷中的這個(gè)獨(dú)特直流偏壓現(xiàn)象,它常常給習(xí)慣于使用鉭和電解電容器的設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)驚奇。電解電容器是非鐵電性的低介電常數(shù)材料,它們的容量值是通過(guò)非常高的正對(duì)面積和納米級(jí)介質(zhì)厚度獲得的,其容量值與作用電壓無(wú)關(guān)。圖4展示的是在常溫下不同溫度特性類型的MLCC直流偏壓特性。溫度補(bǔ)償型(COG、U2J等)的主要元件是順電性陶瓷,容量值不會(huì)隨直流偏壓的變化而變化。相應(yīng)地,高介電常數(shù)BaTiO3系陶瓷(X7R、X5R等)的容量值在直流偏壓下會(huì)下降。 圖4容量值-直流DC偏壓特性[圖片] 
那也可以說(shuō)是X5R系列,如果用作去耦電容,供電直流3.3V,根據(jù)曲線來(lái)說(shuō),其電容的電容量不會(huì)降低太多了,但有些電容供應(yīng)商是不提供直流偏壓特性曲線的
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