我们到底能得到多少电容?

在配电网络(PDN)中，电容器的使用量最大。远离直流电源，它们提供本地电荷存储。我们必须使用足够的电容器，这样PDN才能正常工作。同时，为了控制成本和尺寸，我们希望避免过度设计，不要不必要地使用电容器。

现实生活中的电容器总是存在寄生电阻和寄生电感，通常称为有效串联电阻(ESR)和有效串联电感(ESL)。虽然大多数电容器的ESR和ESL值不能保证，但电容是一个保证的数字。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)的电容值差异很大。

陶瓷电容器通过两种方式实现其高密度: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，以便在同一本体中装入更多的电容器板。用于高密度mlcc的一组常用陶瓷材料被称为2类[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电容器上的直流和交流电压，以及它们也可能显示出强烈的温度依赖性[2]。

作为一个实际的例子，让我们看看在[2]中广泛记录的电容器之一，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在12V电源轨上使用该部件，其中交流噪声较低(稍后当我们考虑交流偏置依赖时，这将很重要)。部分样品采用X5R，部分采用X7R温度特性。[2]用实际测试数据表明，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)处取零件图1，我们看到，在12V直流偏置下，我们可以损失60%或70%的电容，这取决于直流偏置的变化方式。

图1:在所研究的所有1uF 0603 16V型号中，在100hz和10mv交流偏置下测量的百分比电容作为直流偏置的函数。

当我们需要考虑最坏情况下的电容损耗时，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
• 直流偏压效应
• 交流偏压效应
• 老化

样品初始公差为+-10%。X7R温度特性附带了一个额外的+-15%的温度变化公差窗口。

当部件在低交流激励下使用时，电容可能比标准测试程序提供的电容小20-30%。由于供应商使用标准测试方法，因此交流偏置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指数衰减，每过十年电容下降固定百分比。如果我们对X7R部件[3]采取每十年-2.5%的下降，并假设在制造后24小时测量初始电容，在三年(26208小时)的预期寿命内，这意味着大约三十年的时间，导致-7.5%的电容下降。如果我们考虑所有上述因素的最坏累积效应，我们需要将所有与这些百分比值相对应的比率相乘。在下表中，我们对示例部分重复贡献者列表及其最坏情况限制。

	百分比范围[%]	相对乘数
最初的宽容	+ -10	0.9…1.1
温度效应	+ -15	0.85…1.15
直流偏压效应	-70 + 0	0.3…1
交流偏压效应	-30 + 0	0.7…1
陈年(3年以上)	-7.5 + 0	0.925…1

当我们乘以最坏情况的贡献者时，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电容而不是1uF。从表中我们还可以看到，使用现代高密度陶瓷电容器，最大可能的电容下降是由于直流和交流偏置效应。

图2示用国产矢量网络分析仪在100uf 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。在100 uF 4V 2级MLCC部件上测量。

3D表面由多个单独的频率扫描组合在一起，每个扫描在电容器上都有不同的直流偏置值。左轴表示直流偏置电压;右轴表示频率。请注意，电容不仅取决于偏置电压，还取决于频率。在1类陶瓷电容器中不存在这些依赖关系。图3图中为0.1 uF COG MLCC的偏置依赖曲面。

图3:电容是频率和直流偏置的函数。测量值为0。1uf 1级MLCC部件。

的三维曲面图3在两个方向上都是平的，直到我们开始接近部分的串联谐振频率。在非常低的频率下，被测表面上的噪声越来越大。在100hz时，0.1 uF电容的阻抗值大于10kohm。当我们尝试测量双端口并联连接中的千欧姆阻抗值时，噪声说明了简单的自制仪器的局限性。

电容的损失可以在不同的方面造成问题。电容的变化会使零件的串联谐振频率(SRF)发生移位。在PDN设计方法中，所需的阻抗曲线是由不同电容的串联谐振频率合成的，SRF的意外变化将导致阻抗曲线可能偏离目标。电容的变化也会改变不同电容的并联谐振。如果并联谐振表现出高Q值，则回路中循环的电流成比例倍增[3]。当我们依靠电容器来处理给定量的纹波电流时，例如在DC-DC转换器的输入端，这可能是一个问题。

因此，当您在5V应用中使用额定6.3V的2类陶瓷电容器时要小心:电容的很大一部分可能会消失。好消息是，这种偏置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。

要了解更多关于该主题的细节，您可以阅读[4]和[5]。

参考文献

［1］http://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_capacitor#Class_2_ceramic_capacitors

[2]“电容器的直流和交流偏置依赖包括温度依赖”，DesignCon East 2011, 2011年9月27日，Boston, MA。可以在http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_files/DCE11_200.pdf

[3]“非平坦阻抗曲线的电气和热后果”，DesignCon 2016, 2016年1月19日至21日，Santa Clara, CA.可在http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_files/DC16_Paper_ElectricalAndThermalConsequencesOf_Choi.pdf获得

[4]“陶瓷电容器中的直流偏置效应”，详见http://www.electrical-integrity.com/Quietpower_files/Quietpower-32.pdf

[5]“无源元件的动态模型”，Quietpower专栏，可在http://www.electrical-integrity.com/Qui找到