電容指南

靜電電容的電壓特性

11/28/2012

大家好
本技術專欄介紹關於電容的基本知識。
本課描述靜電電容的電壓特性。

電壓特性

電容器的有效電容值隨直流 (DC) 或交流 (AC) 電壓變化的現象稱為電壓特性。當這個變化寬度較小時，電容被稱為具有良好的電壓特性；當這個變化寬度較大時，電容則被稱為具有較差的溫度特性。在用於電力線紋波抑制等應用的電子設備中使用電容器時，設計必須考慮工作電壓條件。

1.直流偏置特性

直流偏置特性是指在電容上施加直流電壓時，有效靜電電容會發生變化（減小）的現象。此現象是使用鈦酸鋇基鐵電介質的高介電常數類型多層陶瓷電容所特有的，而在導電聚合物鋁電解電容 (Polymer Al)、導電聚合物鉭電解電容 (Polymer Ta)、薄膜電容 (Film) 以及使用氧化鈦或鋯酸鈣基副電介質的溫度補償類型多層陶瓷電容 (MLCC<C0G>) 中則完全不會發生 (請參閱圖 1)。
我會用一個例子來解釋實際發生的情況。假設在一個額定電壓為 6.3 V、靜電容量為 100 uF 的高介電常數型多層陶瓷電容上施加 1.8 V 的直流電壓。在這種情況下，具有 X5R 溫度特性的產品的靜電電容會降低約 10%，因此有效電容值變為 90 uF。此外，Y5V 特性產品的靜電電容會減少約 40%，因此有效電容值變成 60 uF。

當直流電壓加在鈦酸鋇基鐵電體上時，當電場很小時，電通密度 (D) 和電場 (E) 是成正比的。然而，隨著電場的增加，原本朝向不同方向的自發極化 (Ps) 開始朝向電場方向重新排列，材料呈現極大的介電常數，有效電容值也隨之增加。當電場進一步增加到自發極化重排結束、極化飽和時，介電常數會變小、有效電容值會降低 (見圖 2)。
因此，在選擇多層陶瓷電容時，不應該毫無疑問地接受目錄中指出的靜電容量。相反，有必要在使用電容的電源 (訊號) 線上施加直流電壓分量時測量靜電電容，並了解有效電容值。然而，此直流偏壓特性是當所施加的直流電壓分量降低時，靜電容量的降低量會變小。最近，FPGA 和 ASIC 等半導體晶片的工作電壓 (直流電壓) 低於 1 V，對於這些半導體晶片電源線上使用的多層陶瓷電容而言，與直流偏置特性相關的問題已不太顯著。

2.交流電壓特性

交流電壓特性是指在電容上施加交流電壓時，有效靜電電容會發生變化（增大或減小）的現象。與直流偏壓特性一樣，此現象是使用鈦酸鋇基鐵電體的高介電常數型多層陶瓷電容所特有的，而在導電聚合物鋁電解電容 (Polymer Al)、導電聚合物鉭電解電容 (Polymer Ta)、薄膜電容 (Film) 以及使用氧化鈦或鋯酸鈣基副電體的溫度補償型多層陶瓷電容 (MLCC< C0G>) 中則完全不會發生（見圖 3）。C0G>）（請參閱圖 3）。
舉例來說，試想在額定電壓為 6.3 V、靜電容量為 22 uF 的高介電常數型多層陶瓷電容上施加 0.2 Vrms 的交流電壓 (頻率：120 Hz)。在這種情況下，具有 X5R 溫度特性的產品的靜電電容會降低約 10%，因此有效電容值變為 20 uF。此外，Y5V 特性產品的靜電電容會減少約 20%，因此有效電容值變成 18 uF。

如上所述，鐵電陶瓷的晶粒具有晶域，每個晶域的自發極化 (Ps) 是隨機取向的，等於沒有整體極化的狀態。當電場 (E) 施加在此狀態的鐵電陶瓷上時，極化會沿著電場方向排列，並達到飽和值。即使電場從此狀態移除，極化方向也不會回到原本的隨機狀態，而是仍有部分保持在極化狀態，這在外部看來就是殘留極化。若要將此殘留極化還原為 0 (零)，需要一個方向相反的電場。此外，當反向電場進一步加強時，會發生極化反轉，材料會朝相反方向極化。如此一來，鐵電體在外部電場下的極化行為就會畫出如圖 4 所示的 D-E 磁滯曲線。
在高交流電壓條件下，流向鐵電電容的電流會發生大的波形失真，因此不能原封不動地套用線性材料的定義^(*1)。不過，可以肯定的說，從有效電容值得到的介電常數 (εr)，大致上等於磁滯曲線 (圖 4 中虛線表示的直線) 的平均斜率。