|
СМД Компонент /
Новости /
Обзор новинок производителя /
Потеря ёмкости чип-конденсаторов из-за смещения постоянным током. /
2020-02-14 21:11:44
Благодаря новейшим разработкам, многослойные чип-конденсаторы используются во всё большем числе применений. Тем не менее, одна вещь часто игнорируется в конструкциях: поведение смещения при постоянном токе, которое влияет на ёмкость керамических конденсаторов класса 2 (X7R, X5R). Это может привести к тому, что ёмкость превысит допустимый диапазон применения по явно необъяснимым причинам и возможно, вызовет технические проблемы. Однако есть способы противодействовать этому.
Многослойные керамические чип-конденсаторы (MLCC) являются одним из наиболее широко используемых типов керамических конденсаторов на сегодняшний день. И не без причины: они были значительно оптимизированы относительно их максимальных номинальных значений ёмкости и также все более низких значений ESR (эквивалентного последовательного сопротивления). Однако это сопровождается все большими дрейфами, особенно в отношении постоянного напряжения, температуры и времени (рис. 1).  Рис. 1: Из-за основного ферромагнитного материала-титаната бария керамических конденсаторов (диэлектрик-класс 2) величина ёмкости изменяется в зависимости от температуры, постоянного и переменного напряжения, а также возраста деталей. (Источник: Murata)
Керамические конденсаторы класса 2 в настоящее время достигли таких высоких емкостей, что многократно приводит к просчетам их фактической ёмкости в процессе эксплуатации. Часто неизвестно, как компоненты ведут себя в реальном приложении и почему они так сильно меняются, как только подается напряжение. Важным электрическим параметром, ответственным за это, является смещение при постоянном токе.
Эффект DC-Bias (смещения при постоянном токе)
Этот эффект лучше всего может быть продемонстрирован в лаборатории. Специалисты компании ТДК использовали для испытаний конденсатор типоразмера 3216 мм./1206: X7R 1мкФ с номинальным напряжением 25В и подключили его к мультиметру LCR. Измеритель показал 1мкФ при 0В. Если приложить 25В, то можно было обнаружить потерю емкости более чем на 40% по сравнению с номинальными значениями ёмкости.
Причиной этого, является фактическая структура керамических конденсаторов: их диэлектрический материал получают из титаната бария, ферромагнитного материала, молекулы которого прилипают к структуре barium 2+, oxygen2 -, Titanium 4+. В этом случае титан находится посередине. Эта молекулярная структура имеет кубическую кристаллическую структуру, когда температура выше температуры Кюри (ок. +125°C) и переходит в тетрагональную кристаллическую структуру, ниже температуры Кюри. Это создает полярность, известную как диполь, где одна сторона оси более положительна, а другая-более отрицательна.
Без приложения постоянного напряжения нет электрического поля и диполи располагаются хаотично во всей кристаллической структуре (спонтанная поляризация). Между тем, диэлектрическая постоянная высока, что также приводит к высокой ёмкости.
Если теперь подается низкое напряжение постоянного тока, электрическое поле влияет на некоторые диполи из-за поляризации. Они начинают выравниваться параллельно электрическому полю, что уменьшает ёмкость.
При подаче более высокого напряжения постоянного тока, несколько диполей выстраиваются параллельно электрическому полю, и ёмкость непрерывно уменьшается. При подаче на конденсатор номинального напряжения, уровень емкости может снизиться до 50% и более, от номинального уровня ёмкости (рис. 2). 
Влияние смещения постоянного тока на ёмкость керамических конденсаторов класса 2 невозможно избежать. Однако есть способы справиться с этим.
Улучшение схемотехники
Сравнение нескольких кривых при смещения постоянным током конденсаторов класса 2 показывает, какие возможности существуют для уменьшения данного эффекта в приложении:
Ёмкость конденсатора 1нФ с номинальным напряжением 16В уменьшается почти на 9% при 10В и на 21% при 16В. Это уже может быть неприемлемо для некоторых конструкций. При том же конденсаторе, имеющем номинальное напряжение 25В, ёмкость при 10В уменьшается только на 2%.
Это связано с тем, что диэлектрические слои в керамических конденсаторах толще при более высоких номинальных напряжениях. Более толстый диэлектрик означает более слабое электрическое поле, которое влияет на меньшее число диполей.
Изменение емкости для конденсатора 470пФ такого же размера на 10В только 0,6%. Если конструкция позволяет двум из этих конденсаторов быть подключенными параллельно, это было бы возможным решением для эффекта смещения при постоянном токе. Поскольку более низкие значения ёмкости позволяют использовать более толстые диэлектрические слои.
Иногда конденсаторы с таким же значением ёмкости также доступны в большем типоразмере. Они также обычно имеют более толстые диэлектрические и следовательно, лучше поведение при эффекте DC-Bias.
Практический пример: смещение постоянным током не учитывается
Что может произойти, если смещение при постоянном токе не учитывается в заявке, показано на практическом примере: один из клиентов использовал многослойный керамический конденсатор 0805 4,7мкФ X5R с 25В и номинальным допуском 10% и также сделал замеры ёмкости при параметрах: 1 кГц при 1Veff. Клиент жаловался, что компоненты были неисправны, так как их C-значение при 14,5В было только приблизительно 1мкФ, и не приближалось к 1,5мкФ, как в случае с "золотым" образцом. Это привело к появлению сигнала пульсации на 15В, что в свою очередь, привело к пониженному напряжению в источнике питания драйвера IPM и плохой коммутации МОП-транзисторов, что в конечном итоге привело к перегрузке по току в обмотках двигателя.
Оказалось, что производитель конденсаторов использовал две различные сырьевые смеси для поддержания надежности поставок. При 14,5В одна смесь показывала значения около 1мкФ, остальные около 1,5мкФ; другими словами, оба соответствовали характеристикам (рис. 3 и 4).
Аргументация клиента строилась на основе его выборки компонентов с более высокими значениями, без рассмотрения причины различия или с учетом соответствующей общей диаграммы. Пороговое значение в заявке было около 1,25мкФ. Первоначально заказчик просто случайно получил компоненты с меньшим смещением при постоянном токе. Когда клиент наконец получил те, которые имели более выраженное смещение DC-Bias, это проявилось в неправильном поведении схемы. Вывод
Этот пример показывает, что в ситуациях дефицита особенно важно знать и учитывать реальные требования отдельных функций в приложении и поведение MLCCs. Важно отметить: какое фактическое напряжение необходимо? Какие температуры необходимо учитывать на практике? Где находятся пороговые значения эффективной емкости? В случае сомнений, разработчикам следует обратиться за консультацией к производителю конденсатора или дистрибьютору.
В этом случае, в частности, рекомендуется заранее проверить, используя кривую смещения при постоянном токе конденсатора, является ли ёмкость приемлемой для фактического рабочего напряжения. Если это не так, то потери ёмкости можно свести к минимуму тремя способами:
1. Через параллельное соединение двух и более конденсаторов, с меньшим значением ёмкости.
2. Путем подбора конденсатора с более высоким номинальным напряжением.
3. Через конденсатор с большим типоразмером.
Все три метода обычно имеют более толстые диэлектрические слои, которые помогают минимизировать потери ёмкости из-за смещения при постоянном токе. Это позволяет избежать технических проблем и предоставляет разработчикам больше альтернатив на выбор.
По материалам компании RUTRONIK.
|
Главная
страница 
Координаты | Обратная связь
Главная: новости
обратная связь
Потеря ёмкости чип-конденсаторов из-за смещения постоянным током.
