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电容衰减厉害，为什么实际电容量总是偏小呢？
电容衰减厉害，为什么实际电容量总是偏小呢？
发布时间：2020-08-10
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电容衰减厉害，为什么实际电容量总是偏小呢？
发布时间：2020-08-10
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有好奇心的读者大概已经读过我们推荐的应用笔记《宽输入高压Buck转换器RT6204实战技巧》了，这篇文章利用RT6204宽输入、宽输出电压的特性提供了输出电压分别为1.2V、5V、12V和24V共四种输出的电压转换器的设计方案，对其中每一个关键元件的选择依据都给出了详细的计算方法和结果，细心的读者可能会注意到每一种输出情况下的输出电容配置是不一样的，我们不得不根据不同的输出电压选用不同的电容容量和类型，造成这一结果的原因是陶瓷电容在不同电压下的容量衰减是不一样的，甚至到了一定的时候电解电容就成了最合适的选择，这实在是不得以而为之的。
陶瓷电容具有诸多的好处，容量大，体积小，无极性，内阻低。容量大、内阻低的特性对于取得低输出纹波是有很大助益的，对于抑制高频噪声也有极大的好处。但是，陶瓷电容在高压下的容量衰减却很厉害，这篇应用笔记中所提到的型号为GRM21BR61C106KE的电容，其规格为10µF/16V，0805封装，温度特性为X5R，但在12V直流偏置下的电容量却只有2µF多一点，这是大大出乎很多人的意料的，厂商提供的规格书中的图形对此进行了很好的描述：
由此图可以看出，我们所理解的10µF的容量只是在直流偏置电压为大约0.5V以下时才具备的特性，随着电压的上升，电容量就迅速下降了。如果我们真的按照它所具有的16V耐压能力给它加电压，它的容量就只有大约1.5µF了，如果我们在此情况下仍然把它当作10µF的器件来使用，由此导致的电路的稳定性和输出纹波特性都将不能被我们所接受，而要用同类的电容堆叠出同样的额定容量来，我们就将发现其成本可能是我们根本不能接受的，所以我们在高压下就不得不改用容量稳定的铝电解电容来满足对输出电容的需求。
为什么陶瓷电容在高压下的容量会下降呢？这与陶瓷电容所用材料的特性有关。
这个世界上介电能力最高的物质其实是导体，它们在电场作用下形成的新的电场将使得其内部的电场为0，所以其相对介电常数等于无穷大，但是很显然它们不可以被安置在电容器的两个电极之间，如果你这么一做，两个电极就被连通了，电容器已经不再存在，失去了它原本的作用。即使加入的导体与两个电极之间是隔离的，由于间距的缩小，其间的电场强度将提高，其空间很容易就会被击穿，最后导致电容能力的丧失。
常用的具有高介电常数的物质是陶瓷，它的主要成分是钛酸钡，其相对介电常数大约为5000，而且成本低廉 ，因而成为高容量电容器的首选。钛酸钡陶瓷晶体在不同温度下具有不同的晶形，在我们的常用温度下，它们呈现的晶形为四方晶（+130℃ ~ +5℃）和正交晶（+5℃ ~ -90℃），都是具有铁电性的晶形，因而被称为铁电体。
铁电性是某些晶体物质具有的一种性质，其晶胞结构因正负电荷中心不重合而出现了电荷极矩，形成了不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化的特性。通常情况下，这些极化了的电荷极矩是自由排列的，一旦外部电场加入，电荷极矩的排列方向就会改变，因而呈现出类似于铁磁体的特点。不同物质的自发极化的方式是不同的，根据物理学家对钛酸钡晶体的分析，它的自发极化主要来自于Ti4+的离子位移极化和氧八面体中一个O2-的电子位移极化。
既然是随机排列的，自然就有一部分电荷极矩会比较容易被驯化，只要有电场的出现它们就扭转了，这样就可以表现出比较高的介电常数。那些比较不容易被驯化的电荷极矩就需要比较高的电场的作用才能被驯化，所以就需要一直提高电场的强度，但到最后它们都是能被驯化的，那时候更强的电场的加入就没有什么作用了，介质中的电场强度会不断地提高，介电常数就逐渐降下来了，这也就是电容量不断下降的过程。其实由此我们就可以想象到一点，终有那么一个时候，介质中的电场强度将超过介质的承受能力而被击穿，这个时候电容就被损坏了，所以陶瓷电容也会有自己的最高电压承受能力，而像上述型号的陶瓷电容，它的额定最高工作电压为16V，如果再高，它离损坏也就不远了。很显然，通过增加介质的厚度可以降低其内部电场，但是其成本也提高了，同时其容量也会下降，所以要得到高压大容量的陶瓷电容，其成本一定是高昂的。
影响一颗电容的电容量的外部偏置还有加在其上的电压纹波，上述同一颗电容的容量与其纹波偏置之间的关系是这样的：
由此图可见，我们所知的电容量是在1kHz 0.5V的外加信号下测得的。如果纹波幅度增加，则测得的电容量将会增大，如果纹波幅度减小，则测得的电容量将会降低。在我们的使用条件下，电源输出端的纹波通常是比较小的，一般是处于mV级或几十mV级，在这样的情况下，实际的电容量就会比单纯的直流偏置下所得到的电容量还要小，这是在设计的过程中需要考虑到的。至于为什么纹波会造成电容量的变化，笔者确实是还没有想明白，这里就不多谈了，如果有读者能告诉我，我将不胜感激。
在立锜为客户所提供的设计工具中，Richtek Designer™是很好用的辅助设计、仿真工具，客户在利用该工具的时候只需输入具体的工作条件、选中相应的型号，实用的电路就会被自动生成，启动过程、稳态过程、瞬态过程的仿真也可以顺利完成，还可以进行交流分析和效率评估。这个工具的使用需要我们预先准备器件的精确模型，目前RT6204的模型已经处于调试阶段，即将很快投入使用，读者如有需要，请登录www.richtek.com自由使用，目前它已配备了一百多种立锜器件的电路模型，可以满足很多应用的需要。像我们在这里探讨的电容的容量问题，该仿真工具是不能主动进行评估的，读者在使用的时候需要根据具体的电容型号在具体条件下的特性提取出参数再输入其中才可以得到模拟，你也可以根据模拟所得到的结论对电容参数进行调整，然后再从众多的电容中寻找到实际可用的器件，这是需要大家注意的。其实这个问题也不是不可以用软件自动解决，只是这样的做法会将系统变得太复杂，真正地会变得得不偿失，这是需要大家理解的。
转载自RichtekTechnology。
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