MLCC電容的直流偏壓特性

2021-02-25 硬體工程師煉成之路
DCDC實測出來的紋波比公式計算出來的大,電容ESR的鍋?

我們設計DCDC電路的時候,經常會用下面的公式計算一下紋波輸出電壓,然後在輸出端選擇合適的電容。

下面是某DCDC規格書的紋波說明:

                        

陶瓷電容的ESR都說很小,可以忽略。那麼根據輸入輸出電壓,開關頻率,目標紋波,就可以求得電容容量的大小。

然而,不知道你發現沒有,電路做出來實測一下,一般都比算出來的紋波要大,那麼這是為什麼呢?這是因為陶瓷電容的ESR實際不能忽略嗎?而一般情況下我們並不知道電容ESR多大,所以就這樣讓陶瓷電容背鍋了(我以前就是這麼幹的,汗。。。。)。

那麼真是這樣嗎?

實際上是這樣的,陶瓷電容MLCC有一個直流偏壓特性:在電容上施加直流電壓之後,電容容量會下降。

下圖是村田的47uF/6.3V電容直流偏壓特性

可以看到,在電容上面施加直流電壓6.3V的時候,電容量只剩下初始值的15%左右。我勒個去,這也太恐怖了吧。。。。。

真的是這樣嗎?

 

實驗驗證

實驗條件,12V轉3.3V的DCDC,開關頻率800Khz的DCDC,輸出濾波電容型號為47uF/6.3V,經查詢ESR在800Khz時為2mΩ。

計算公式:

第一種紋波計算值:電容量按照滿容量47uF計算。

ESR造成的紋波=2.7mV

電容量造成的紋波=4.5mV

所以總紋波為:2.7mV+4.5mV = 7.2mV

第二種紋波計算值:電容量按照電容偏壓曲線在3.3V時容量大概為18.8uF

ESR造成的紋波=2.7mV

電容量造成的紋波=11.3mV

所以總紋波為:2.7mV+11.3mV=14mV

電路板實測:

電路板實測,紋波為15mV,與第二種方法算出來的值非常接近。

所以,MLCC陶瓷電容的直流偏壓特性的確是存在的

 

為了方便我們設計,我在村田官網上下載了一些常規電容的直流偏壓特性曲線,可供設計參考。

從圖片之間對比可得出:

----容量越大,偏壓特性越明顯,隨電壓升高,容量下降得更多

----同容量,不同耐壓電容,在相同電壓下,電容量下降差不多(不存在高耐壓值的電容電容下降得少)

----同容量,同耐壓,封裝大的電容量下降得慢

 

總結:

MLCC電容的直流偏壓特性很明顯,容量越大隨電壓升高容量下降越快,設計電路時必須考慮。

 

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