MLCC电容的直流偏压特性

汽车电子硬件设计 2020-09-15
DCDC实测出来的纹波比公式计算出来的大,电容ESR的锅?

我们设计DCDC电路的时候,经常会用下面的公式计算一下纹波输出电压,然后在输出端选择合适的电容。

下面是某DCDC规格书的纹波说明:

                        

陶瓷电容的ESR都说很小,可以忽略。那么根据输入输出电压,开关频率,目标纹波,就可以求得电容容量的大小。

然而,不知道你发现没有,电路做出来实测一下,一般都比算出来的纹波要大,那么这是为什么呢?这是因为陶瓷电容的ESR实际不能忽略吗?而一般情况下我们并不知道电容ESR多大,所以就这样让陶瓷电容背锅了(我以前就是这么干的,汗。。。。)。

那么真是这样吗?

实际上是这样的,陶瓷电容MLCC有一个直流偏压特性:在电容上施加直流电压之后,电容容量会下降。

 
电容的直流偏压特性

下图是村田的47uF/6.3V电容直流偏压特性

可以看到,在电容上面施加直流电压6.3V的时候,电容量只剩下初始值的15%左右。我勒个去,这也太恐怖了吧。。。。。

真的是这样吗?

 

实验验证

实验条件,12V3.3VDCDC,开关频率800KhzDCDC,输出滤波电容型号为47uF/6.3V,经查询ESR800Khz时为2mΩ。

计算公式:

第一种纹波计算值:电容量按照满容量47uF计算。

ESR造成的纹波=2.7mV

电容量造成的纹波=4.5mV

所以总纹波为:2.7mV+4.5mV = 7.2mV

第二种纹波计算值:电容量按照电容偏压曲线在3.3V时容量大概为18.8uF

ESR造成的纹波=2.7mV

电容量造成的纹波=11.3mV

所以总纹波为:2.7mV+11.3mV=14mV

电路板实测:

电路板实测,纹波为15mV,与第二种方法算出来的值非常接近。

所以,MLCC陶瓷电容的直流偏压特性的确是存在的

 

各种容量的电容直流偏压曲线

为了方便我们设计,我在村田官网上下载了一些常规电容的直流偏压特性曲线,可供设计参考。

从图片之间对比可得出:

----容量越大,偏压特性越明显,随电压升高,容量下降得更多

----同容量,不同耐压电容,在相同电压下,电容量下降差不多(不存在高耐压值的电容电容下降得少)

----同容量,同耐压,封装大的电容量下降得慢

 

总结:

MLCC电容的直流偏压特性很明显,容量越大随电压升高容量下降越快,设计电路时必须考虑。

 

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