Изменяется ли емкость MLCC при колебании напряжения?

21.01.2022 | Новости Электронные компоненты ● a-contract.ru

Когда проектировщик разрабатывает схему, он должен сделать так, чтобы каждый компонент «делал то, что написано на коробке». В многослойных керамических конденсаторах (MLCC) есть одна тема, которая часто беспокоит проектировщиков, и это тот факт, что емкость может колебаться в зависимости от напряжения, что называют смещением постоянным током (DC bias) или коэффициентом напряжения (“voltage coefficient”).

Рис. 1. Зависимость емкости от смещения постоянным током, измеренная при 1 кГц, используя мост изменения емкости. (По оси Х - напряжение постоянного тока, в вольтах, по оси Y - емкость в мкФ)

Известно, что колебания напряжения происходят в сегнетоэлектрических материалах, таких как титанат бария, который используется в большинстве X5R и X7R конденсаторов. Однако, величина потерь может значительно варьироваться в зависимости от материала диэлектрика и типа используемого напряжения (переменный или постоянный ток). Если это не предусмотреть на этапе разработки конденсатора, это может стать проблемой, так как конденсатор может терять до 70% своей заявленной емкости под напряжением в зависимости от комбинации материала и используемого напряжения.

В целом это явление считается негативным последствием работы с диэлектрическими материалами. Однако не все материалы MLCC одинаковы, в том смысле, что различные материалы проявляют себя по-разному. Поэтому очень важно учитывать все элементы окружающей среды, в которой будет использоваться конденсатор, чтобы понять, какой тип материала наилучшим образом подойдет для данного устройства.

Сравнение материалов керамических конденсаторов

Материаловедение, связанное с MLCC, проделало долгий и большой путь. На сегодня кроме стандартного титаната бария используются два материала – PLZT, керамика из цирконат-титанат свинца-лантана (ЦТСЛ – электрооптическая сегнетокерамика), и SBFT, керамика из титаната стронций-висмут-железо, от компании Knowles Precision Devices под торговой маркой Hiteca. В отличие от сегнетоэлектрических материалов Класса 2, PLZT является антисегнетоэлектриком, в котором диэлектрическая постоянная снижается при малых смещениях постоянным током, но достигает пиковых значений при номинальном рабочем напряжении.

С другой стороны, Hiteca является полустабильным диэлектриком Класса 2 с низкими потерями, который отличается высокой емкостью при максимальном рабочем напряжении, улучшенной емкостной стабильностью, низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL), и нулевой скоростью старения без потерь в емкости с течением времени. Конденсаторы SBFT сделаны с диапазоном емкости 100пФ до 2.2 мкФ, номинальным напряжением от 450 до 1000 В постоянного тока, и рабочей температурой от -55 до +125°F.

Чтобы сравнить эти три материала, мы использовали стандартный мост для измерения емкостей, чтобы измерить показатели емкости при различных смещениях постоянного тока до номинального напряжения (Рис.1).

С увеличением смещения напряжения, емкость конденсаторов X7R и Hiteca снижаются из-за их отрицательного коэффициента напряжения емкости. Однако, значение емкости Hiteca снижается более плавно, чем емкость X7R. А конденсаторы PLZT имеют положительный коэффициент напряжения, поэтому емкость увеличивается до максимального значения в 400В (прямо под номинальным напряжением) и затем немного снижается при номинальном напряжении.

Как видно из графиков, X7R показал самое большое изменение емкости при смещении постоянным током с разницей в 73% от максимального значения. PLZT показал 49% изменения от максимального значения, а Hiteca – 31% изменения от максимального значения.

Сегодня необходимость улучшенных характеристик в транспортных, энергетических и других устройствах открывает путь для более широкого использования новых диэлектриков с меньшими колебаниями напряжения. Учитывая результаты этих испытаний, Hiteca является следующим эффективным шагом в технологии конденсаторов, благодаря ее более высокой емкости при смещении напряжения постоянным током, более низкому подъему температуры по сравнению с переменным током, и долгосрочной надежности с нулевой скоростью старения.

Источник: rfglobalnet.com