如何测量随偏压变化的MLCC电容.docx

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如何测量随偏压变化的MLCC电容

如何测量随偏压变化的MLCC电容

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/X5RR/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。

MarkFortunato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。

图1：

对电容与偏压关系进行特征分析的电路。

运放输出引脚的电压波形Vy以及R、C之间连接点的电压Vx如图2所示。

当运放输出为5V时，通过R1对C1进行充电，直到电压达到上限，强制输出为0V；此时，电容放电，直到Vx达到下限，从而强制输出恢复为5V。

该过程反复发生，形成稳定振荡。

图2.VX和VY的振荡电压。

振荡周期取决于R、C，以及上门限VUP和下门限VLO：

由于5V、VUP和VLO固定不变，所以T1、T2与RC成比例（通常称为RC时间常数）。

比较器门限是Vy、R2、R3及D1正向偏压（Vsub>Diode）的函数：

式中，VUP为Vy=5V时的门限，VLO为Vy=0V时的门限。

给定参数后，这些门限的结果大约为：

VLO为0.55V，VUP为1.00V。

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。

MOSFETQ1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。

图3：

T1期间，C3箝位至GND；T2期间，对其进行线性充电。

C3电压（VC3）平均值等于：

由于I、C3、α和β均为常数，所以C3的平均电压与T2成比例，因此也与C1成比例。

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%。

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。

图4：

VBIAS=0V时的测量结果，Ch1=Vx；Ch2=Vy；Ch3=VC3。

调节R1，使电压表读数为1.000V。

图5.VBIAS=5V时的测量结果。

由于电容值减小，振荡周期已经明显缩短。

Ch1=Vx；Ch2=Vy；Ch3=VC3。

电压表读数为0.671V。

0V偏压时，调节电位计R1，使电压表读数为1.000V。

5V偏压时，电压表读数为0.671V，说明电容值为原来的67.1%。

利用高精度计数器，也测得总周期T。

0V偏压下的T为4933?

s，5V偏压下为0V，说明电容值为原来的66.5%（即3278μs/4933μs）。

这些值非常一致，证明电路设计可高精度测量电容值随偏压的变化关系。

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MurataSimsurfing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。

图6：

2.2μF/16VMLCC的相对电容与偏置电压的关系曲线。

电容值被标准化至0V偏压下的电容值。

蓝色曲线基于电路输出电压的测量值；红色曲线基于振荡周期测量值；绿色曲线基于MurataSimsurfing工具提供的特征数据。

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。