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MLCC电容加直流偏压时，为什么容值会变低？

article 2024/12/26 5:46:30

MLCC（Multilayer Ceramic Capacitor，多层陶瓷电容器）在施加直流电压时，其电容值会发生变化，这一现象，被称为直流偏压特性（DC Bias Effect）。

基本电容计算公式

MLCC的电容值 CC 可以通过以下公式计算：C=（ε*S）/（4π*k*d），其中：

ε 是陶瓷介质的相对介电常数。

S是内电极的叠加面积。

k是静电常数，约为8.987551×109 N⋅m2/C28.987551×109N⋅m2/C2。

d 是内电极之间的距离。

直流偏压特性原理

MLCC主要由多层交替的陶瓷介质和金属层构成的。在没有外加电压时，陶瓷介质中的自发极化是随机取向的，但当施加直流电压时，这些极化会趋向于与电场方向一致，导致介电常数降低，即电容值降低。

村田100nF 0402封装MLCC电容的直流偏压特性。

直流电压10V时，容值降低到原来的80%；

直流电压20V时，容值降低到原来的50%；

影响因素

直流偏压特性受多种因素影响，包括电容器的尺寸、容值和介质材料。一般来说，电容器尺寸越大，直流偏压对容量的影响越小，因为较大的尺寸意味着更多的电介质，从而降低了电场强度和锁定的偶极子数。不同介质材料的MLCC电容器对直流偏压的敏感度也不同，X7R和X5R类型的电容器表现出较为明显的直流偏压特性，而C0G类型的电容器则不受影响。

Ⅰ类陶瓷电容器

Ⅰ类陶瓷电容器（Class Ⅰ ceramic capacitor），也称高频陶瓷电容器（High-frequency ceramic capacitor），介质采用非铁电（顺电）配方，以二氧化钛TiO2为主要成分（介电常数小于150），因此具有最稳定的性能；或者通过添加少量其他（铁电体）氧化物，如钛酸钙CaTiO3 或钛酸锶SrTiO3，这两种介质损耗小、绝缘电阻高、温度特性好。特别适用于振荡器、谐振回路、高频电路中的耦合电容，以及其他要求损耗小和电容量稳定的电路，或用于温度补偿（属于温度补偿型）。

C0G/NP0属于Ⅰ类陶瓷电容器，受直流偏压和温度的影响都比较小。

C0G：美国电子工业协会（EIA）标准采用“字母+数字+字母” 这种代码形式来表示Ⅰ类陶瓷温度系数。

NP0：美国军用标准（MIL），Negative-Positive-Zero的简写，用来表示的温度特性。说明NPO的电容温度特性很好，不随正负温度变化而出现容值漂移。

Ⅱ类陶瓷电容器

Ⅱ类陶瓷电容器（Class Ⅱ ceramic capacitor），也称低频陶瓷电容器（Low frequency ceramic capacitor），指用铁电陶瓷作介质的电容器，因此也称铁电陶瓷电容器。具有较高的介电常数（K值），在相同的体积下可以提供更大的电容量。但铁电材料在直流偏压下介电常数会下降，导致电容值降低。电容量随温度呈非线性变化，损耗较大，常用于旁路、耦合、隔直或用于其它对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中。

其中Ⅱ类陶瓷电容器又分为稳定级和可用级。X5R、X7R属于Ⅱ类陶瓷的稳定级，而Y5V和Z5U属于可用级。

TDK公司的铝电解电容器、薄膜电容器、MLCC（种类1及种类2）等主要电容器的额定电压-电容量应对范围如下图所示。C0G或NP0都是一些小容值的。