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温度、偏压和老化对MLCC陶瓷电容器电容稳定性的影响

温度、偏压和老化对MLCC陶瓷电容器电容稳定性的影响

  • 分类:新闻
  • 发布时间:2023-03-30 10:31
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【概要描述】温度、偏压和老化对MLCC陶瓷电容器电容稳定性的影响

温度、偏压和老化对MLCC陶瓷电容器电容稳定性的影响

【概要描述】温度、偏压和老化对MLCC陶瓷电容器电容稳定性的影响

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多层陶瓷电容器 (MLCC) 是电子设计中最常见的电容器品种之一。它以相对较低的成本提供多种外形尺寸的大容量电容和电压容限。虽然这些设备在设计师的工具箱中已经司空见惯,但它们也表现出一些经常被忽视的特性。

主要关注的是有效电容对多种环境因素的敏感性,包括温度、施加的偏置电压和老化。如果不考虑这些因素,产品故障的风险就会变得非常真实,尤其是在制造可变性和总体公差叠加方面。

MLCC 温度注意事项

根据用于电介质的陶瓷材料类型,MLCC 通常分为两类。I 类电容器最坚固,灵敏度最低,通常由 TiO2 制成。三个字母的 EIA 代码用于对温度系数 (TC)(以每摄氏度 ppm 为单位)、乘数和公差进行分类。I 类电容器通常列为 C0G,这是所有温度敏感性中最低的,这意味着 -55°C 至 +125°C 温度范围内电容变化为 ±30ppm/°C,总电容变化小于 ±0.3% .

II 类电容器通常由 BaTiO3 电介质构成,并以更高的温度敏感性为代价提供更宽范围的大容量电容。常用的Class II器件有X7R、Y5V、Z5U。表 1 列出了 EIA 代码以及温度系数和容量范围的相应值。

使用表 1,下面显示了几个示例:

  • -55 至 +125 度,电容变化为 ±15% EIA 代码为 X7R
  • -55 至 +85 度,电容变化为 ±15% EIA 代码为 X5R
  • -30到+85度电容变化+22%,-82% EIA代码为Y5V

1. 陶瓷类电介质 EIA 代码

1 – 不同 EIA 代码下 MLCC 电容随温度的变化

1 描述了几种不同的 EIA 编码 MLCC 在整个温度范围内的电容变化。了解电容器运行的环境条件并了解设计的可容忍变化对于正常运行至关重要。例如,在高温应用中,选择低成本的 Y5V 设备而不是更合适的 X7R 设备几乎可以保证其失效。

直流偏置电压对 MLCC 电容器的影响

MLCC 电容器的另一个固有敏感性是大容量电容随施加的直流偏置电压而变化。例如,如图 2 所示,施加的直流电压越大,有效电容越小。本例中的电容在 25V 时下降了大约 45%,这只是器件 50V 额定值的一半。

这种现象的根源是陶瓷电介质的晶体结构。在不施加直流电压的情况下,不存在电场,晶体偶极子将在整个设备中随机排列。这种情况称为自发极化并导致高介电常数,进而产生高电容。

2 – 汽车 X7R 50V MLCC 的电容变化与施加的直流电压

3 – 没有(顶部)和(底部)施加直流偏置电压的晶体极化

当施加低直流电压时,电场会导致一些偶极子平行排列,如图 3 所示。偶极子与电场的这种排列会降低电容。随着施加更多的直流电压,更多的偶极子将开始对齐,并且电容不断降低。一旦达到额定电压,电容水平可能会比其标称值下降多达 70%。尤其是 II 类设备,由于其 BaTiO3 结构而受到此影响。

正如在温度敏感性的情况下,了解对直流偏置电压的依赖性可以极大地影响设计。如果 MLCC 用于过滤具有最小 DC 分量的小 AC 信号,则各种 MLCC 选项可能是合适的。相反,如果设计过滤高压直流稳压器的纹波,则 MLCC 可能不是最佳选择。

直流偏置依赖性的关键因素是电介质的厚度。随着电介质变厚,电场强度减弱,电容降低最小。因此,为了最大限度地减少直流偏置效应,设计人员可以应用以下技术:

  • 选择更大的外壳尺寸
  • 选择更高的额定电压
  • 选择更好的电介质
  • 并联多个设备

MLCC老化

更高级别的 MLCC 中为实现高电容而使用的介电材料存在固有的老化过程。这些材料的晶格具有产生永久电偶极子的内置应变能。随着时间的推移,这种应变会松弛,电容会慢慢降低。

4 显示了 X7R 和 Y5V 器件超过 1000 小时老化的示例。虽然可以通过将器件温度提高到 120C 以上来逆转这种老化过程,但设计人员必须简单地将老化效应计入产品的使用寿命计算中。

4 – X7R 与 Y5V MLCC 陶瓷电介质电容老化退化

结论

虽然 MLCC 在现代电子设计中是非常宝贵的设备,但必须了解它们的局限性。与其他电容器技术不同,设计人员需要非常熟悉预期应用的温度、直流偏置和老化要求。只有这样才能确定合适的介电材料、外壳尺寸和电路拓扑结构。

来源:EPCI

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