设计人员往往忽略高容量、多层陶瓷电容(MLCC)随其直流电压变化的特性。所有高介电常数或II类电容(B/X5R R/X7R和F/Y5V特性)都存在这种现象。然而,不同类型的MLCC变化量区别很大。Mark Fortunato曾经写过一篇关于该主题的文章,给出的结论是:您应该核对电容的数据资料,确认电容值随偏压的变化。但如果数据资料中未提供这一信息又该如何呢?您如何确定电容在具体应用条件下变小了多少? 对电容与偏压关系进行特征分析的理论 图1所示为一种测量直流偏压特性的电路。该电路的核心是运算放大器U1(MAX4130)。运放作为比较器使用,反馈电阻R2和R3增加滞回。D1将偏置设置在高于GND,所以不需要负电源电压。C1和R1从反馈网络连接至输入负端,使电路作为RC振荡器工作。电容C1为被测对象(DUT),作为RC振荡器中的C;电位计R1为RC振荡器中的R。
Q1和Q2周围的电路将周期时间转换为比例电压。工作原理如下。MOSFET Q1由U1的输出控制。T1期间,Q1导通,将C3电压箝位至GND;T2期间,Q1关断,允许恒定电流源(Q2、R5、R6和R7)对C3进行线性充电。随着T2增大,C3电压升高。图3所示为三个周期的C3电压。
低通滤波器R8/C4对信号进行滤波,低失调运放U2 (MAX9620)对输出进行缓冲,所以,允许使用任何电压表进行测量。测量之前,该电路需要进行简单校准。首先将DUT安装到电路,将VBIAS设定为0.78V (VLO和VUP的平均值),所以DUT上的实际平均(DC)电压为0V。调节电位计R1时,输出电压随之变化。调节R1,直到输出电压读数为1.00V。在这种条件下,C3的峰值电压为大约2.35V。可更改偏置电压,输出电压将显示电容值的变化百分比。例如,如果输出电压为0.80V,在特定偏置电压下的电容值将为偏置为0V时的80%。 实验室测试验证 在一块小PCB上搭建图1电路。首先使用一个10μF电容进行测量。图4和图5分别显示了0V和5V偏压条件下的信号。
现在执行第二项测量,从Murata提供的样本中抽取2.2μF/16V电容(型号为GRM188R61C225KE15)。本次测量中,在0V至16V整个工作范围内记录电容值。通过测量电路的输出电压和实际振荡周期,确定相对电容。此外,从Murata Simsurfing工具采集数据;该工具可根据Murata的测量值提供具体器件的直流偏置特性。结果如图6所示。两条测量数据曲线所示的结果几乎完全相同,证明时间-电压转换电路在较大动态范围内工作良好。Simsurfing工具得到的数据与我们的测量结果之间存在一定差异,但曲线的形状相似。 总结 利用介绍的电路、双电源和电压表,很容易测量高电容MLCC的直流偏压特征。简单的实验室测试能够证明电容值随偏置电压的变化。(end) |
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