關(guān)于陶瓷電容的電容量的大小分析和介紹

陶瓷電容具有諸多的好處，容量大，體積小，無(wú)極性，內(nèi)阻低。容量大、內(nèi)阻低的特性對(duì)于取得低輸出紋波是有很大助益的，對(duì)于抑制高頻噪聲也有極大的好處。但是，陶瓷電容在高壓下的容量衰減卻很厲害，這篇應(yīng)用筆記中所提到的型號(hào)為GRM21BR61C106KE的電容，其規(guī)格為10μF/16V，0805封裝，溫度特性為X5R，但在12V直流偏置下的電容量卻只有2μF多一點(diǎn)，這是大大出乎很多人的意料的，廠商提供的規(guī)格書(shū)中的圖形對(duì)此進(jìn)行了很好的描述：

由此圖可以看出，我們所理解的10μF的容量只是在直流偏置電壓為大約0.5V以下時(shí)才具備的特性，隨著電壓的上升，電容量就迅速下降了。如果我們真的按照它所具有的16V耐壓能力給它加電壓，它的容量就只有大約1.5μF了，如果我們?cè)诖饲闆r下仍然把它當(dāng)作10μF的器件來(lái)使用，由此導(dǎo)致的電路的穩(wěn)定性和輸出紋波特性都將不能被我們所接受，而要用同類(lèi)的電容堆疊出同樣的額定容量來(lái)，我們就將發(fā)現(xiàn)其成本可能是我們根本不能接受的，所以我們?cè)诟邏合戮筒坏貌桓挠萌萘糠€(wěn)定的鋁電解電容來(lái)滿足對(duì)輸出電容的需求。

為什么陶瓷電容在高壓下的容量會(huì)下降呢？這與陶瓷電容所用材料的特性有關(guān)。

所有的電容器都是由兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成的，這兩個(gè)導(dǎo)體之間是相互絕緣的，絕緣可以借助真空、空氣或是其他的絕緣材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體之間加上電壓時(shí)，電場(chǎng)就會(huì)在兩個(gè)導(dǎo)體之間形成。受此電場(chǎng)的作用，導(dǎo)體之間的介質(zhì)里的電荷會(huì)向兩個(gè)導(dǎo)體方向聚集，它們形成的電場(chǎng)是與原電場(chǎng)方向相反的，因而介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)會(huì)被削弱，原外加電場(chǎng)（在真空中進(jìn)行計(jì)量）與介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度之比就是這種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，這是一個(gè)沒(méi)有量綱的量，它還有一個(gè)稱(chēng)呼叫做誘電率，其代號(hào)通常為希臘字母 。

由于電介質(zhì)能夠?qū)㈦妶?chǎng)的強(qiáng)度降下來(lái)（這樣就不容易被擊穿了），因而可以提高電容器儲(chǔ)存電荷的能力，也就是提高了電容量。相對(duì)介電常數(shù)是一種介質(zhì)相對(duì)于真空的介電能力，是一個(gè)相對(duì)的量，而真空的絕對(duì)介電常數(shù)為，所以一種介質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù)，也就是真空絕對(duì)介電常數(shù)的倍。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體之間為真空時(shí)的電容為，有了介質(zhì)之后的電容就變成了。

這個(gè)世界上介電能力最高的物質(zhì)其實(shí)是導(dǎo)體，它們?cè)陔妶?chǎng)作用下形成的新的電場(chǎng)將使得其內(nèi)部的電場(chǎng)為0，所以其相對(duì)介電常數(shù)等于無(wú)窮大，但是很顯然它們不可以被安置在電容器的兩個(gè)電極之間，如果你這么一做，兩個(gè)電極就被連通了，電容器已經(jīng)不再存在，失去了它原本的作用。即使加入的導(dǎo)體與兩個(gè)電極之間是隔離的，由于間距的縮小，其間的電場(chǎng)強(qiáng)度將提高，其空間很容易就會(huì)被擊穿，最后導(dǎo)致電容能力的喪失。

常用的具有高介電常數(shù)的物質(zhì)是陶瓷，它的主要成分是鈦酸鋇，其相對(duì)介電常數(shù)大約為5000，而且成本低廉 ，因而成為高容量電容器的首選。鈦酸鋇陶瓷晶體在不同溫度下具有不同的晶形，在我們的常用溫度下，它們呈現(xiàn)的晶形為四方晶（+130℃ ~ +5℃）和正交晶（+5℃ ~ -90℃），都是具有鐵電性的晶形，因而被稱(chēng)為鐵電體。

鐵電性是某些晶體物質(zhì)具有的一種性質(zhì)，其晶胞結(jié)構(gòu)因正負(fù)電荷中心不重合而出現(xiàn)了電荷極矩，形成了不等于零的電極化強(qiáng)度，使晶體具有自發(fā)極化的特性。通常情況下，這些極化了的電荷極矩是自由排列的，一旦外部電場(chǎng)加入，電荷極矩的排列方向就會(huì)改變，因而呈現(xiàn)出類(lèi)似于鐵磁體的特點(diǎn)。不同物質(zhì)的自發(fā)極化的方式是不同的，根據(jù)物理學(xué)家對(duì)鈦酸鋇晶體的分析，它的自發(fā)極化主要來(lái)自于Ti4+的離子位移極化和氧八面體中一個(gè)O2-的電子位移極化。

既然是隨機(jī)排列的，自然就有一部分電荷極矩會(huì)比較容易被馴化，只要有電場(chǎng)的出現(xiàn)它們就扭轉(zhuǎn)了，這樣就可以表現(xiàn)出比較高的介電常數(shù)。那些比較不容易被馴化的電荷極矩就需要比較高的電場(chǎng)的作用才能被馴化，所以就需要一直提高電場(chǎng)的強(qiáng)度，但到最后它們都是能被馴化的，那時(shí)候更強(qiáng)的電場(chǎng)的加入就沒(méi)有什么作用了，介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)不斷地提高，介電常數(shù)就逐漸降下來(lái)了，這也就是電容量不斷下降的過(guò)程。其實(shí)由此我們就可以想象到一點(diǎn)，終有那么一個(gè)時(shí)候，介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度將超過(guò)介質(zhì)的承受能力而被擊穿，這個(gè)時(shí)候電容就被損壞了，所以陶瓷電容也會(huì)有自己的最高電壓承受能力，而像上述型號(hào)的陶瓷電容，它的額定最高工作電壓為16V，如果再高，它離損壞也就不遠(yuǎn)了。很顯然，通過(guò)增加介質(zhì)的厚度可以降低其內(nèi)部電場(chǎng)，但是其成本也提高了，同時(shí)其容量也會(huì)下降，所以要得到高壓大容量的陶瓷電容，其成本一定是高昂的。

影響一顆電容的電容量的外部偏置還有加在其上的電壓紋波，上述同一顆電容的容量與其紋波偏置之間的關(guān)系是這樣的：

由此圖可見(jiàn)，我們所知的電容量是在1kHz 0.5V的外加信號(hào)下測(cè)得的。如果紋波幅度增加，則測(cè)得的電容量將會(huì)增大，如果紋波幅度減小，則測(cè)得的電容量將會(huì)降低。在我們的使用條件下，電源輸出端的紋波通常是比較小的，一般是處于mV級(jí)或幾十mV級(jí)，在這樣的情況下，實(shí)際的電容量就會(huì)比單純的直流偏置下所得到的電容量還要小，這是在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要考慮到的。至于為什么紋波會(huì)造成電容量的變化，筆者確實(shí)是還沒(méi)有想明白，這里就不多談了，如果有讀者能告訴我，我將不勝感激。

在立锜為客戶所提供的設(shè)計(jì)工具中，Richtek Designer是很好用的輔助設(shè)計(jì)、仿真工具，客戶在利用該工具的時(shí)候只需輸入具體的工作條件、選中相應(yīng)的型號(hào)，實(shí)用的電路就會(huì)被自動(dòng)生成，啟動(dòng)過(guò)程、穩(wěn)態(tài)過(guò)程、瞬態(tài)過(guò)程的仿真也可以順利完成，還可以進(jìn)行交流分析和效率評(píng)估。這個(gè)工具的使用需要我們預(yù)先準(zhǔn)備器件的精確模型，目前RT6204的模型已經(jīng)處于調(diào)試階段，即將很快投入使用，目前它已配備了一百多種立锜器件的電路模型，可以滿足很多應(yīng)用的需要。像我們?cè)谶@里探討的電容的容量問(wèn)題，該仿真工具是不能主動(dòng)進(jìn)行評(píng)估的，讀者在使用的時(shí)候需要根據(jù)具體的電容型號(hào)在具體條件下的特性提取出參數(shù)再輸入其中才可以得到模擬，你也可以根據(jù)模擬所得到的結(jié)論對(duì)電容參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然后再?gòu)谋姸嗟碾娙葜袑ふ业綄?shí)際可用的器件，這是需要大家注意的。其實(shí)這個(gè)問(wèn)題也不是不可以用軟件自動(dòng)解決，只是這樣的做法會(huì)將系統(tǒng)變得太復(fù)雜，真正地會(huì)變得得不償失，這是需要大家理解的。