在配电网络(PDN)中，电容器的使用数量最多。远离直流电源，它们提供局部电荷存储。我们必须使用足够的电容器，以使PDN正常工作。同时，为了控制成本和尺寸，我们希望避免过度设计和不必要的使用电容器。
现实生活中的电容器总是有寄生电阻和电感，通常称为有效串联电阻(ESR)和有效串联电感(ESL)。虽然对于大多数电容来说，ESR和ESL值是不能保证的，但电容是一个有保证的数字。毕竟，我们购买电容器是为了它的电容。然而，令人惊讶的是，许多现代高密度陶瓷多层电容器(MLCC)的电容值有巨大的变化。
陶瓷电容器通过两种方式实现高密度:一是使用具有更高介电常数的陶瓷复合材料，二是使用更薄的介电层，这样就可以将更多的电容器板装入同一体中。用于高密度mlcc的一组常用陶瓷材料称为2级[1]。不幸的是，当我们使用非常薄的2类陶瓷层时，它们的介电常数将取决于几个参数，因此我们得到的实际电容将取决于穿过电容器的直流和交流电压，以及它们可能显示强烈的温度依赖性[2]。
作为一个实际的例子，让我们看看[2]中广泛记录的一个电容器，其中1uF 0603尺寸的16V电容器从不同的供应商进行了测试。我们进一步假设我们想要使用12V供电轨道上的部件，那里的交流噪声很低(当我们考虑到交流偏置依赖性时，这将非常重要)。部分样品具有X5R温度特性，部分样品具有X7R温度特性。正如[2]用实际测试数据显示的那样，X7R电容有时比X5R电容的直流偏置灵敏度更差。
如果我们从供应商B(标签为B7)上取零件图1，我们看到在12V直流偏压下，我们可以损失60%或70%的电容，这取决于直流偏压的变化方式。
图1:对于所有研究的1uF 0603 16V模型，电容百分比作为直流偏置的函数，在100hz和10mv交流偏置下测量。
当我们需要考虑最坏情况的电容损耗时，我们必须考虑以下所有因素的累积效应:
- 最初的宽容
- 温度效应
- 直流偏压的影响
- 交流偏置效应
- 老化
样品初始公差为+-10%。X7R温度特性带有额外的+-15%的温度变化公差窗口。
当该部件在低交流励磁下使用时，其电容可能比标准测试程序提供的电容低20-30%。由于供应商使用标准测试方法，交流偏差依赖性只有一个负范围:0…-20%，有时高达-30%。
陶瓷电容器的老化产生了指数衰减，每十年的时间，电容下降的百分比是固定的。如果我们取X7R部件[3]每十年下降-2.5%，并假设在制造后24小时内测量初始电容，在三年(26208小时)的预期寿命内，这意味着大约30年的时间，导致电容下降-7.5%。如果我们考虑上述所有因素的最坏累积效应，我们需要乘以所有与这些百分比值相对应的比率。在下表中，我们将重复示例部分的贡献者列表及其最坏情况限制。
范围百分比(%) |
相对乘数 |
|
最初的宽容 |
+ -10 |
1.1 0.9…… |
温度效应 |
+ -15 |
1.15 0.85…… |
直流偏压的影响 |
-70 + 0 |
0.3……1 |
交流偏置效应 |
-30 + 0 |
0.7……1 |
年龄(3岁以上) |
-7.5 + 0 |
0.925……1 |
当我们乘以最坏情况的贡献者，我们得到0.9*0.85*0.3*0.7*0.925 = 0.15，这意味着我们只有0.15 uf的电容而不是1uF。从表中我们还可以看到，现代高密度陶瓷电容器最大的可能电容下降是由于直流和交流偏置效应。
图2展示了用自制矢量网络分析仪在100 uF MLCC上测量的直流偏置效应。
图2:电容是频率和直流偏置的函数。测量100uf 4V Class 2 MLCC部件。
3D表面是由多个单独的频率扫描组合在一起的，每个频率扫描在电容上具有不同的直流偏置值。左轴为直流偏置电压;右轴表示频率。注意电容不仅取决于偏置电压，还取决于频率。在第1类陶瓷电容器中不存在这些依赖性。图3显示0.1 uF COG MLCC的偏倚曲面。
图3:电容是频率和直流偏置的函数。在0上测量。1 uF Class 1 MLCC部分。
的三维曲面图3在两个方向上都是平坦的，直到我们开始接近零件的串联谐振频率。在非常低的频率下，被测表面的噪声会增加。在100hz时，0.1 uF电容的阻抗大小超过10 kOhm。当我们试图测量两端口并联连接的千欧姆阻抗值时，噪声说明了简单的自制仪器的局限性。
电容的损失可能在不同的方面产生问题。电容的变化会使该部件的串联谐振频率(SRF)发生变化。在PDN设计方法中，所需的阻抗剖面是由不同电容器的串联谐振频率合成的，SRF的意外变化将导致阻抗剖面可能错过目标。电容的变化也改变了不同电容器的并联谐振。如果平行谐振显示高Q，它与环路中循环的电流[3]成比例相乘。当我们依赖电容来处理给定数量的纹波电流时，例如在DC-DC转换器的输入端，这可能是一个问题。
所以当你在5V的应用中使用6.3V额定的2类陶瓷电容器时要小心:很大一部分电容可能会消失。好消息是，这种偏倚依赖性在钽和铝电容器、薄膜电容器和印刷电路层压板中几乎不存在。
要了解更多关于这个主题的细节，您可以阅读[4]和[5]。
参考文献
[1]http://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_capacitor#Class_2_ceramic_capacitors
“包括温度依赖性在内的直流和交流偏倚电容”，2011东部设计展，2011年9月27日，波士顿，马萨诸塞州。可以在http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_files/DCE11_200.pdf
[3]“非平坦阻抗剖面的电学和热学后果”，2016年1月19 - 21日设计展，圣克拉拉，加州。可从http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_files/DC16_Paper_ElectricalAndThermalConsequencesOf_Choi.pdf获得
[4]“陶瓷电容器的直流偏压效应”静功率专栏，可在http://www.electrical-integrity.com/Quietpower_files/Quietpower-32.pdf获得
[5]“无源组件的动态模型”，Quietpower专栏，可在http://www.electrical-integrity.com/Qui获得