MLCC陶瓷介质的电压特性

Ⅰ类和Ⅱ类陶瓷电容器的介电常数（K）随加载的直流偏压的变化而变化。这种变化是由于电压应力（voltage stress）限制了陶瓷介质某些极化机理的自由度造成的。对于给定的直流偏置。介电常数越高，介电常数的变化就越大。对于Ⅰ类陶瓷介质，我们测量不出容值随直流偏压变化，所以我们认为Ⅰ类陶瓷介质的容量几乎不随直流偏压变化。Ⅱ类和Ⅲ类陶瓷介质（IEC标准统称Ⅱ类）因其介电常数（K）一般较大，所以它的容量随直流偏压变化比较明显。

1.    MLCC直流偏压特性的测试方法

1）  测试设备

测试设备推荐德科技的LCR测试仪E4980A，配套测试夹具16034E/G。

2）  测试条件

测试频率和测试电压。

直流偏压：0～U_R（额度电压）。

施加直流偏压时间：60s。

测试温度：（25±3）℃。

下面提供各陶瓷介质直流偏压时的容值变化比曲线，Ⅰ类介质的除U2J外，NP0系列容值几乎不随直流偏压变化。

2.    Ⅰ类陶瓷绝缘介质的直流偏压特性

C0G（NP0）和C0H（NP0）的容值几乎不随直流电压变化，U2J容值随直流电压升高而降低（见下图）。

3.    Ⅱ类和Ⅲ类陶瓷绝缘介质的直流电压特性（DC voltage dependence）

高介电常数型（Ⅱ类和Ⅲ类）电容器的电容值随施加的直流电压而变化。当电容器被选择用于直流电路时，请考虑直流电压特性。陶瓷电容器的电容值会随外加电压的变化而急剧变化。为了确保稳定的容值，请确认以下内容：

a、判定MLCC因加载电压造成的容值变化是否在接受范围内；

b、在直流电压特性中，容值的变化随着电压的增大而降低，即使加载的电压低于额定电压。

c、当高介电常数MLCC用于容值偏差要求精确的电路（如时间常数电路）时，请仔细考虑电压特性，并在系统实际工作条件下确认各项特性。

我们通过铁材料的电压特性曲线（见上图）可得出随着直流电压增大容值降低这个规律，证明直流电压对容值有影响。留意在其他方面的同等材料，其电压特性的规格要求的限定有何影响。对于X7R来说如果没有限定规格要求，那么它的直流电压特性是很宽泛的，X7R如果加载直流电压到其额定电压，容值变化比最大到-63%，在陶瓷介电材料类别所定义的温度范围内，直流电压特性随额定电压增加，换句话说介质厚度不随额定电压按比例增长。这样电场强度随着额定电压的增加而增加，这反过来又导致了电压特性增强。

1）  X7R的直流偏压特性

X7R所加载的直流电压在额定电压范围内容值随着电压的增大而降低，容值变化比基本保持在-90%～+10%之间，一般情况下，容值较大的随频率变化较大，在容值和加载电压都相同的情况下尺寸较小的容值变化较大。

为了描述X7R的容值变化与频率的关系，我们挑选具有代表性的容值规格的容值变化比电压曲线进行对比，这些代表性的容值规格电压尽可能地选低压50V，容值分别为：100pF、1nF、10nF、100nF、1μF、10μF、47μF，每个容值规格挑选不同尺寸。图1～图4为某知名MLCC厂家（MA）的容值变化比-直流偏压特性曲线图。

图1  X7R容值变化比-直流偏压特性曲线（50V不同容值规格）

图2  X7R容值变化比-直流偏特性压曲线（1nF中高压规格）

图3 X7R容值变化比-直流偏压特性曲线（10nF中高压规格）

图4  X7R容值变化比-直流偏压特性曲线（100nF中高压规格）

2） X5R的直流偏压特性

X5R所加载的直流电压在额定电压范围内容值随着电压的增大而降低，跟容值大小没有明显规律性，容值变化比基本保持在-90%～+10%之间，一般情况下，容值较大的随频率变化较大，在容值和加载电压都相同的情况下尺寸较小的容值变化较大。理论上，因X5R的介电常数比X7R大，所以它受直流偏压影响更明显，例如同样是100nF，50V规格，在加载50V电压时，X5R的容值下降幅度大于X7R。

为了描述X5R的容值与直流偏压的关系，我们挑选具有代表性的容值规格的容值变化比-直流偏压特性曲线进行对比，容值分别为100pF、1nF、10nF、100nF、1μF、10μF、100μF，每个容值规格挑选不同尺寸且包含此规格的最小尺寸，在容值和尺寸一定的情况下，电压尽可能地选最高。图5为某知名MLCC厂家（MA）的容值变化比-直流偏压特性曲线图。

图5  X5R容值变化比-直流偏压特性曲线

容值变化比测试条件：CP≤1nF，AC=1V@1MHz；1nF＜CP≤10μF，AC=1V@1kHz；CP＞10μF，AC=0.5V@120Hz。

3）  Y5V的直流偏压特性

Y5V因其介电常数大于X7R和X5R，所以它受直流偏压影响更为明显，直流偏压曲线的坡度比X7R和X5R大很多。

为了描述Y5V的容值与频率的关系，我们挑选具有代表性的容值规格的容值变化比-直流偏压特性曲线进行对比，容值分别为22nF、47nF、100nF、470nF、1μF、10μF，每个容值规格挑选不同尺寸且包含此规格的最小尺寸，在容值和尺寸一定的情况下，电压尽可能地选最高。图6为某知名MLCC厂家（SG）的容值变化比-直流偏压特性曲线图。

图6  Y5V容值变化比-直流偏压特性曲线

容值变化比测试条件：CP≤1nF，AC=1V@1MHz；1nF＜CP≤10μF，AC=1V@1kHz；CP＞10μF，AC=0.5V@120Hz。

1.    MLCC交流电压特性的测试方法

1）  测试设备

测试设备推荐德科技的LCR测试仪E4980A，配套测试夹具16034E/G。

2）  测试条件

测试频率：C≤10μF，1kHz，C＞10μF，120Hz。

AC电压：0.01～2.0Vrms

施加AC电压时间：30s

测试温度：（25±3）℃

2.    Ⅰ类陶瓷绝缘介质的交流电压特性

Ⅰ类陶瓷绝缘介质典型代表C0G（NP0）容值几乎不随交流电压变化，U2J容值随交流电压的增大而降低（如下图所示）。

3.   Ⅱ类和Ⅲ类陶瓷绝缘介质的交流电压特性（AC voltage dependence）

在电容器两端的交流电压产生了一个与直流电压比相反的效果。高介电常数型（Ⅱ类和Ⅲ类）电容器的电容值随施加的交流电压而变化。当电容器被选择用于交流电路时，请考虑交流电压特性。陶瓷电容器的电容值变化比与交流电压之间的关系见下图。

Ⅱ类陶瓷绝缘介质50V以下规格取0～2V，AC交流电压区间的容值变化比曲线图参考图7～图11。X7R和X5R的容值变化比随着交流电压的增大而增大，Y5V容值变化比随交流电压的增大，先升后降。容值变化比测试条件：CP≤1nF，1MHz；1nF＜CP≤10μF，1kHz；CP＞10μF，120Hz。容值变化比参照点：CP≤10μF，以1V AC为参照点，CP＞10μF，以0.5V AC为参照点（包含X5R，01005容值大于等于680pF）。

1）  X7R容值变化比-交流电压特性曲线

在100pF～47μF容值范围内，挑选具有代表性的低压规格，它们在0～2V AC范围内的交流电压曲线如下。从图7曲线可以看出，10μF以下规格容值变化较小（约在±10%以内），10μF以上规格容值变化较大（接近±40%）。

X7R额定250V DC中压规格的交流电压曲线见图8，1nF和10nF的容值变化随交流电压的增大而增大，但是100nF和1μF的容值变化比随交流电压的增大而降低。所以X7R全部规格的交流电压特性并没有一致性规律。

图7  X7R容值变化比-交流电压特性曲线

图8  X7R容值变化比-交流电压特性曲线（250V额定电压）

X7R高压1KV的容值变化比-交流电压特性曲线见图9，曲线成抛物线状先升后降。峰值大约在交流100～200V AC的范围。

图9  X7R容值变化比-交流电压特性曲线（1KV额定电压）

2）  X5R容值变化比-交流电压特性曲线

在100pF～100μF容值范围内，挑选具有代表性的低压规格，它们在0～2V AC范围内的交流电压曲线如下。从图10中的曲线可以看出，X5R容值变化幅度无论容值大小明显大于X7R。

图10 X5R容值变化比-交流电压特性曲线

3）  Y5V容值变化比-交流电压特性曲线

在22nF～100μF容值范围内，挑选具有代表性的低压规格，它们在0～2V AC范围内的交流电压曲线见图11。从图11中的曲线可以看出，Y5V容值变化与X7R和X5R相比有所区别，交流电压在0～2V AC范围内，Y5V曲线基本上是先升后降，而X7R和X5R的容值随着电压逐渐增大。

图11  Y5V容值变化比-交流电压特性曲线