影响II类MLCC有效电容的因素
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多年来，多层陶瓷电容器（MLCC）因其众多优势而成为表面贴装电容器的首选，例如具有广泛的可用电容范围、无极性、低ESR和低成本。大多数设计人员了解到，当在电容器上施加直流偏置时，II类MLCC的有效电容会显著降低。 然而，除了直流偏置效应外，还有其他重要因素会影响II类MLCC的有效电容。这些因素包括交流偏置、信号频率、温度和老化。 首先，让我们讨论一下直流偏置效应，这可能是有效电容降低最为明显的因素。举例来说，当施加3V的直流电（相当于额定电压的47%）时，1µF、6.3V额定值的X5R MLCC的有效电容可以降低至0.36µF。需要注意的是，用于直流偏置测量的标准信号条件是1kHz时的500mV RMS。这表明与1µF标称电容相比降低了64%（参见图1）。 1.在图中，我们可以观察到随着施加的直流偏置电压增加，有效电容如何下降。当施加直流电压时，II类MLCC所使用的钛酸钡（BaTiO3）介电材料中的一些偶极子会被锁定。当交流电压变化时，这些锁定的偶极子将无法移动，导致电容减小。直流偏置效应是所有电气工程师都已充分观察到的现象。 现在，如果将交流电平从500mV RMS降低至10mV RMS，同时保持相同的1kHz频率和3V直流偏置，有效电容将进一步降至0.32µF，降低额外的4%。然而，增加交流信号幅度会增加有效电容（参见图2），尽管这种增加可能微不足道。需要注意的是，这并非普遍适用。
图2展示了在施加3V直流偏置电压的情况下，不同交流电压水平下的有效电容。 交流电压依赖性和直流偏置效应 有效电容的交流电压依赖性机制比直流偏置效应复杂得多。这是由于所施加的电场与通量密度之间的电介质的非线性介电常数（磁滞效应）引起的。在图2和3中，我们观察到，随着交流信号的增加，测得的电容也随之增加，但是请注意，随着交流信号的幅度达到一定水平，电容开始减小。
另一方面，如果由于直流偏置效应导致电容降低超过50％（再次参见图2），则由交流信号引起的电容损耗将明显减小。因此，在考虑有效电容时，必须谨慎考虑直流偏置和交流电压依赖性的影响，具体取决于实际的信号条件。 TCC和频率依赖性 在典型的MLCC数据表中，还可以找到与电容相关的两个附加图表，分别是温度特性（TCC）和频率相关特性。与直流偏置和交流电压相关的影响相比，TCC和频率相关的影响并不那么明显，大多数情况下，电容变化不超过20％。 TCC受MLCC所使用的电介质类型（例如X5R、X6S、X7R等）的调节。因此，电容的变化在每种介电类型的定义范围内是正常的。例如，X5R或X7R的变化为15％。然而，请注意，根据TCC定义的电容变化范围与电容容差无关。因此，对于一个标称为22µF、容差为20％的X7R MLCC来说，在最坏的情况下，初始电容可能会降至15µF [22µF×80％（容差下限）×85％（假设它保持不变，电容的85％在125°C时）= 14.96µF]，即使在施加任何电压之前也是如此。 图4显示了对于相同的10V、1µF MLCC，电容值如何随着交流信号频率的增加而减小。施加直流偏置时，电容变化变得更小。
MLCC的老化效应表明，电容随时间呈对数减小的关系，可用以下方程式表示：C(t) = C(t0) * (1 - k * log10(t))其中，C(t0)为初始电容值，C(t)为经过t小时老化后的电容值，k为老化常数，根据MLCC类型而变化，t为老化时间。 老化现象是由于BaTiO3的内部结构特征所致，其中电容会随着偶极子缓慢地重新排列其取向而减小，以稳定内部机械应力（图5）。通常情况下，老化是可逆的。可以通过将MLCC加热到125°C或居里点以上，使缩小的电容恢复。热处理称为"老化"，并在标称电容测量之前进行观察。
其次，考虑到电容下降呈对数性质，在前1000小时的老化过程中，电容的损失最为显著。在1000小时后，MLCC的有效电容由于电容降低而趋于"稳定"。尽管如此，从产品可靠性的角度来看，设计师仍然需要考虑老化现象，因为几乎所有最终产品都要求能够持续运行1000小时以上。 老化和直流偏置 另一个与老化相关的主题是直流偏置下电容器的老化行为，尽管人们对此了解较少。这一主题比表面看起来的重要性更大，因为MLCC通常被用作电源轨道中的旁路电容器，用于维持这些电源轨道的直流电压稳定。这意味着这些电容器处于恒定的直流电场之下。直觉上，人们可能认为老化和直流偏置的影响是累积的 - 施加直流偏置后，老化曲线应该简单地向下移动。尽管这种观点似乎合理，但实际情况并非如此。 在现实世界中，直流偏置下的电容器老化行为如图6所示。一开始，施加直流电场后，有效电容曲线几乎立即下降。这是由于偶极子的锁定造成的直流偏置效应。随着直流偏置效应减弱（以秒为单位），老化效应开始发挥作用，并持续作用长达10^5秒甚至更久。
6. 在直流偏置下，MLCC的有效电容下降幅度低于直流偏置和老化效应的电容降低的线性总和。 然而，值得注意的是，在出现老化效应后，施加的直流偏置实际上会使有效电容下降的幅度甚至低于直流偏置和老化效应共同引起的电容降低的线性总和。这是因为在偶极子转向过程中（参见图5），直流偏置实际上有助于将90°偶极子域与介电常数较低的BaTiO3晶格轴对齐，从而进一步降低电容。 尽管直流偏置下MLCC的老化行为可能具有重要性，但遗憾的是，它并没有成为有效电容仿真的重点。因此，在MLCC的数据表中通常找不到关于这种行为的规范说明。此外，电容下降行为在很大程度上取决于特定MLCC的材料类型和设计结构。因此，对于对有效电容敏感性能的设计，进行实际的电容减小实验测量是了解特定MLCC在直流偏置下老化行为的准确方法。 MLCC不仅适用于更小、更快、更先进的设备，而且在许多应用中都是构建组件。全面了解MLCC的有效电容不仅有助于设计人员构建更稳定、更坚固的系统，而且可以帮助预防潜在的可靠性问题，特别是在最终产品投入生产后。
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