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涨姿势,一文了解电容器静电容量的电压特性

2017-11-10
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作者:株式会社村田制作所 元器件事业本部 Zakipedia


电容器的实际静电容量值随着直流(DC)与交流(AC)电压而变化的现象叫做电压特性。该变化幅度越小,说明电压特性越好,幅度越大,说明电压特性越差。以消除电源线纹波等为目的在电子设备上使用电容器时,必须设想使用电压条件进行设计。


直流偏置特性


直流偏置特性是指,对电容器施加直流电压时实际静电容量发生变化(减少)的现象。这种现象是使用了钛酸钡系铁电体的高介电常数类片状多层陶瓷电容器特有的现象,导电性高分子的铝电解电容器(高分子AI)和导电性高分子钽电解电容器(高分子Ta)、薄膜电容器(Film)、氧化钛和使用了锆酸钙系顺电体的温度补偿用片状多层陶瓷电容器(MLCC<C0G>)上几乎不会发生这种现象(参照图1)。


下面举例说明实际上是如何发生的。假设额定电压为6.3V,静电容量为100uF的高介电常数片状多层陶瓷电容器上施加了1.8V的直流电压。此时,温度特性为X5R的产品,静电容量减少约10%,实际静电容量值变成90uF。而Y5V的产品,静电容量减少约40%,实际静电容量变成60uF。

图1:各种电容器的静电容量变化率-直流偏置特性(示例)


向钛酸钡系铁电体施加直流电压时,电场小时,电位移(D)与电场(E)成正比,但随着电场增大,原本方向混乱的自发极化(Ps)开始沿电场的方向整齐排列,显示非常大的介电常数,实际静电容量值增大。随电场进一步增强,不久自发极化整齐排列完毕,分极饱和后,介电常数变小,实际静电容量值变小(参照图2)。


因此,在选择多层陶瓷电容器时,请不要完全按照产品目录上记载的静电容量进行选择。必须先向适用的电源(信号)线施加直流电压成分,测定静电容量,掌握实际静电容量值的情况。但是,这种直流偏置特性施加的直流电压成分越低,静电容量减少幅度越小。最近市面上出现了以突破1V的电源电压(直流电压)工作的FPGA和ASIC等半导体芯片。如把多层陶瓷电容器使用在这种芯片的电源线上时,不会出现很明显的直流偏置特性问题。

图2:向铁电体陶瓷施加电压时的状态


交流电压特性题


交流电压特性是指,对电容器施加交流电压时实际静电容量发生变化(增减)的现象。这一现象与直流偏置现象相同,是使用钛酸钡系铁电体的高介电常数类片状多层陶瓷电容器特有的现象,导电性高分子的铝电解电容器(高分子AI)和导电性高分子钽电解电容器(高分子Ta)、薄膜电容器(Film)、氧化钛和使用锆酸钙系的顺电体的温度补偿用片状多层陶瓷电容器(MLCC<C0G>)上几乎不会发生这种现象(参照图3)。


假设对额定电压为6.3V,静电容量为22uF的高介电常数片状多层陶瓷电容器施加0.2Vrms的交流电压(频率:120Hz)。此时,温度特性为X5R产品的情况,静电容量减少约10%,实际静电容量值变成20uF。而Y5V产品更甚,静电容量减少约20%,实际静电容量变成18uF。

图3:各种电容器的静电容量变化率-交流电压特性(示例)


如上所述,铁电体陶瓷的结晶粒(Grain)有分域(Domain),各个自发极化(Ps)的方向是随机的,整体上相当于无极化的状态。在此之上施加电场(E)时,电场方向上产生极化,达到饱和值。在这种状态下即使去除电场,极化方向也不会回到原来无序随机的状态,多少会停留在极化时的状态上,形成残留极化,在外部显现。为了让这种残留极化归零,需要反方向的电场。逆电场进一步增强时会发生极化反转,向相反方向进行极化。类似这样的因外部电场而引起的铁电体的极化动作如图4的D-E历史曲线(磁滞曲线)。


在交流高电压下,流经电容器的电流在铁电体的情况下会产生较大的波形失真,因此不能直接适用于线性材料的定义(*1)。但是,从实际静电容量值求得的相对介电常数(εr)也可以说成是磁滞曲线的平均倾斜度(图4虚线)。

图4:铁电体的D-E磁滞曲线


*1:线性材料・・・应力应变特性为线性,即应力σ与形变ε成正比的材料特性。


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