在配电网络(PDN)中，电容器的使用数量最多。远离直流电源，它们提供本地电荷存储。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，不使用不必要的电容器。

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)。虽然大多数电容器的ESR和ESL值不能保证，但电容是一个有保证的数字。毕竟，我们购买电容是为了它的电容。然而，令人惊讶的是，许多现代高密度陶瓷多层电容器(MLCC)的电容值有巨大的差异。

陶瓷电容器通过两种方式实现其高密度:通过使用具有更高介电常数的陶瓷复合材料，以及通过使用更薄的介电层，以便将更多的电容器板装入同一个体中。用于高密度mlcc的常用陶瓷材料称为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电容器上的直流和交流电压，以及它们也可能表现出强烈的温度依赖性[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，其中来自不同供应商的1uF 0603尺寸16V电容器进行了测试。我们进一步假设我们想要在12V电源轨道上使用该部件，其中AC噪声较低(稍后当我们考虑AC偏置依赖性时，这将很重要)。样品中有的具有X5R温度特征，有的具有X7R温度特征。[2]用实际测试数据表明，X7R电容器的直流偏置灵敏度有时比X5R部件差。

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直流偏置时，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:所有研究的1uF 0603 16V型号的电容百分比作为直流偏置的函数，在100 Hz和10 mV交流偏置下测量。

当我们需要考虑最坏情况的电容损失时，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

样品的初始公差为+-10%。X7R温度特性具有额外的+-15%的温度变化公差窗口。

当该部件在低交流励磁下使用时，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，AC偏差依赖性只有一个负范围:0…-20%，有时高达-30%。

陶瓷电容器的老化造成了一个指数衰减，电容每十年下降一个固定的百分比。假设X7R部件[3]每十年下降2.5%，并假设初始电容是在制造后24小时测量的，在3年(26208小时)的预期寿命内，这意味着大约30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情况累积效应，我们需要将所有与这些百分比值对应的比率相乘。在下表中，我们重复了贡献者列表以及示例部分的最差情况限制。

	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
年龄(3年以上)	-7.5 + 0	0.925…1

当我们将最坏情况的贡献相乘时，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电容降是由于直流和交流偏置效应。

图2示用自制矢量网络分析仪在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。测量在100 uF 4V类2 MLCC部分。

3D表面从多个单独的频率扫描放在一起，每个都有不同的直流偏压值横跨电容器。左轴显示直流偏置电压;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。在第一类陶瓷电容器中不存在这些依赖关系。图3为0.1 uF COG MLCC的偏置依赖面。

图3:电容是频率和直流偏置的函数。在0上测量。1 uF类1 MLCC部件。

的三维曲面图3在两个方向上都是平坦的，直到我们开始接近部件的串联谐振频率。在非常低的频率下，在被测表面上有一个不断增加的噪声。在100 Hz时，0.1 uF电容器的阻抗大小超过10 kOhm。当我们尝试测量两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。

电容损失会以不同的方式造成问题。电容的变化会在该部件的串联谐振频率(SRF)中产生位移。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会错过目标。电容的变化也改变了不同电容器的并联谐振。如果并联谐振显示高Q，它与环路[3]中循环的电流成比例相乘。这可能是一个问题，当我们指望我们的电容器处理给定数量的纹波电流，例如在DC-DC转换器的输入。

因此，当你在5V的应用中使用额定6.3V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，这种偏置依赖性在钽和铝电容器、薄膜电容器和印刷电路层合板中几乎不存在。

想要了解更多关于这个主题的细节，你可以阅读[4]和[5]。

参考文献

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

“电容的直流和交流偏置依赖性，包括温度依赖性”，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结果”，2016年设计展，2016年1月19日至21日，加州圣克拉拉，http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_files/DC16_Paper_ElectricalAndThermalConsequencesOf_Choi.pdf

[4]“陶瓷电容器中的直流偏置效应”Quietpower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