DC偏压对MLCC2类电容器的影响
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并非所有电容器都具有相同的特性。它们的性能取决于所使用的材料和其他物理特性，例如极化性、超稳定性、低介电吸收或高体积效率。多层陶瓷电容器（MLCC）根据所采用的电介质材料的不同被分为不同的类型或等级。 然而，在设计选择器件时，有一个参数往往被忽视，但却需要加以考虑，那就是"DC偏置特性"，即在端子间施加直流电压时电容器的变化。显然，电源旁路应用会在DC电压上放置电容器。而电荷泵本身的电容器上也存在DC电压。用于在电荷泵中传输电荷的"快速电容器"以及输入和输出电容器都需要处理DC偏置电压，因此容易受到这种现象的影响。 1类和2类 目前，使用的MLCC主要分为两种类型，即1类（温度补偿）和2类（高介电常数），还有其他一些不太常见和过时的类型。1类（或I类）电容器使用二氧化钛（TiO2）作为电介质材料，而2类（或II类）电容器则采用钛酸钡（BaTiO3）和添加剂。1级MLCC的电容值较低，但比2级电容更稳定。1类通常应用于对稳定性要求较高的领域，例如调谐电路。如果电容器的EIA温度特性以C、H、L、M、N或P开头（如C0G），则属于1级MLCC。2级MLCC电容器具有更高的容量效率和其他1级MLCC电容器所不具备的独特特性。如果EIA温度特性以X、Y或Z开头（如X7R），则属于2级MLCC。对于MLCC用于交流耦合或电容上几乎没有DC电压的应用，DC偏置效应不是一个因素。然而，由于2类MLCC电容器具有许多吸引人的特性，如低泄漏、高纹波电流容量和小尺寸，因此它们成为电荷泵的首选，尽管这些特性并不理想。正是在使用MLCC电容器的这些产品中，这个经常被忽视的参数变得明显起来，因为电容器的实际电容直接影响着电荷泵的性能。 DC偏压灵敏度 DC偏置灵敏度是所有2类（又称2类）陶瓷电容器的特征。所有制造商都使用相似的材料，具有相似的性能，但具体影响可能会有所不同。根据具体应用的需求，需要仔细选择所使用的电容器。额定电压、外壳尺寸、温度特性（如Z5U、X7R等）、最终产品的物理尺寸限制和输出功率水平都会影响优化设计所选择的电容器。在各种尺寸和额定电压下，相较于具有较高电容值和额定电压的电容器，具有较低电容值和额定电压的电容器对DC偏置的影响较小。大多数使用24-48V输入电压的应用会严重受到电容器的DC偏置性能影响。图1和图2分别展示了两个具有相对较高电容值和额定电压的器件，说明了DC偏置效应。
随着额定电压和/或电容值的增加，电容器上的DC偏置效应变得更加明显。当外壳尺寸变小时，这种影响也变得更加明显。最佳的电容器高度取决于所需提供的电流。虽然较大的电容值可以改善纹波电压，但增加电容值并不会在某个值以上显著提高性能。以下信息说明了在选择电容器时需要进行的权衡。不幸的是，并非所有的电容器数据手册都公布了DC偏置性能的信息，因此通常需要进行一些研究来获得性能数据。没有公开DC偏置数据的电容器应经过严格测试，以确保其性能符合要求。此外，在将新的电容器替换到现有设计中时需要小心验证性能，以确保设计仍然按照要求工作。改变供应商或温度特性（例如从Z5U到X7R）将显著改变DC偏置性能。 MLCC额定电压与电容的关系 为了抵消电容降低的影响，可以使用额定电压高于所需电压的电容器，并保持较高的额定电容百分比。通常情况下，电容器的额定值是在施加较小的直流电压下进行指定和测量的，因此在额定最大直流电压下，实际电容通常要小得多。虽然通常选择的电容器在额定值和施加电压之间具有一定的电压裕量，但在此处为了说明问题，我们忽略了这一点。 例如，一个在25伏直流电压下工作的4.7 uF、25伏、0805尺寸的X5R电容器实际上只有其额定值的15%或0.705 uF。而一个4.7 uF、50伏、1210尺寸的X5R电容器在25伏直流电压下约为其额定值的50%或2.35 uF。另外，一个4.7 uF、100伏、1210尺寸的X5R电容器则约为其额定值的70%或3.3 uF。一种替代的方法是并联使用额定电压较低的电容器，尤其当高额定电压的器件不可用或过于昂贵时，这可能是一个很好的折衷方案。图1展示了一个35伏最高额定电压、22 uF、1210尺寸的电容器的DC偏置电容示例。在25伏时，它损失了约80%的额定电容，因此实际电容约为4.4 uF。图2展示了一个50伏、10 uF、1210尺寸的电容器的性能。在25伏时，其电容损失略高于初始电容的60%，因此略低于4 uF。因此，尽管10 uF/50伏电容器的额定电容不到一半，但在25伏时，它几乎与22 uF/35伏电容器的电容相同。然而，22 uF电容器的成本也几乎是10 uF电容器的两倍，因此在成本与电容之间的权衡中，10 uF/50伏更具成本效益。 采用MLCCs时，外壳尺寸与电容的关系 在采用MLCC时，外壳尺寸与电容之间存在着关系。在电容器中，物理尺寸非常重要，因为较小的外壳尺寸会导致DC偏置电容的降低。以4.7 uF、50伏、1210尺寸的电容器为例，与在25伏下工作的4.7 uF、50伏、0805尺寸的电容器相比，其电容降低到了0.47 uF，仅为1210尺寸电容器容量的四分之一。这展示了外壳尺寸减小对电容的DC偏置效应的典型影响。 MLCC电容值与外壳尺寸的关系 最后，对于给定的外壳尺寸和额定电压，电容的值也会有所不同。以先前的例子为基础，一个在25伏下使用的1 uF、50伏、0805尺寸的电容器实际上只有0.43 uF，略低于其额定值的一半，而4.7 uF约为额定值的十分之一。因此，对于给定的外壳尺寸，随着额定电容的增加，真实电容会受到非常明显的影响。
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