在構建多層陶瓷電容器（MLCC）時(shí)，電氣工程師們通常會(huì )根據應用選擇兩類(lèi)電介質(zhì)——1類(lèi)，非鐵電材料介質(zhì)，如C0G/NP0；2類(lèi)，鐵電材料介質(zhì)，如X5R和X7R。它們之間的關(guān)鍵區別在于，隨著(zhù)電壓和溫度的提升，電容是否還具備良好的穩定性。對于1類(lèi)電介質(zhì)，當施加直流電壓、工作溫度上升時(shí)，容值保持穩定；2類(lèi)電介質(zhì)具有較高的介電常數（K），但在溫度、電壓、頻率變化的情況下以及隨著(zhù)時(shí)間的推移，容值不太穩定。

雖然可以通過(guò)各類(lèi)設計變更來(lái)提高容值，例如改變電極層的表面積、層數、K值或兩個(gè)電極層之間的距離，但當施加直流電壓時(shí)，2類(lèi)電介質(zhì)的容值最終仍會(huì )急劇下降。這是由于一種叫做直流偏壓現象的存在，導致2類(lèi)鐵電配方在施加直流電壓時(shí)最終會(huì )出現介電常數的下降。

對于較高K值的介質(zhì)材料，直流偏壓的影響可能更嚴重，電容器有可能損失高達90%甚至更多的容值，如圖1所示。

圖1. X7R電容的電壓變化曲線(xiàn)

材料的介電強度，即一定厚度的材料所能承受的電壓，也能改變直流偏壓對電容器的影響。在美國，介電強度通常以伏特/密耳為單位（1密耳等于0.001英寸），在其他地方則以伏特/微米為單位，它由電介質(zhì)層的厚度決定。因此，具有相同容值和額定電壓的不同電容器由于各自不同的內部結構，其性能表現可能存在較大差異。

值得注意的是，當施加的電壓大于材料的介電強度時(shí)，火花將穿過(guò)材料，導致潛在的點(diǎn)火或小規模的爆炸風(fēng)險。

直流偏壓如何產(chǎn)生的實(shí)際案例

如果把工作電壓導致的容值變化與溫度變化結合起來(lái)考慮，那么我們會(huì )發(fā)現在特定應用溫度和直流電壓下，電容的容值損失會(huì )更大。以某X7R材質(zhì)的MLCC為例，其容值為0.1μF，額定電壓為200VDC，內部層數為35，厚度為1.8密耳（0.0018英寸或45.72微米），這意味著(zhù)在200VDC下工作時(shí)，電介質(zhì)層只經(jīng)歷111伏/密耳或4.4伏/微米。粗略計算，VC將為-15%。如果電介質(zhì)的溫度系數為±15%ΔC，VC為-15%ΔC，那么最大的TVC為+15%-30%ΔC。

造成這種變化的原因在于所使用的2類(lèi)材料的晶體結構——在該案例中為鈦酸鋇（BaTiO3）。該材料在達到居里溫度或以上時(shí)，具有立方體的晶體結構。然而，當溫度恢復到環(huán)境溫度時(shí)，由于溫度降低使材料的結構發(fā)生變化，就會(huì )發(fā)生極化。極化的發(fā)生不需要任何外部電場(chǎng)或壓力，這被稱(chēng)為自發(fā)極化或鐵電性。當在環(huán)境溫度下對材料施加直流電壓時(shí)，自發(fā)極化與直流電壓的電場(chǎng)方向相連，并發(fā)生自發(fā)極化的逆轉，從而導致容值減少。

如今，即使有了各式各樣的設計工具來(lái)提高容值，但由于直流偏壓現象的存在，當施加直流電壓時(shí)，2類(lèi)電介質(zhì)的容值仍會(huì )大幅度地降低。因此，為了確保應用的長(cháng)期可靠性，您選擇MLCC時(shí)，除了需要考慮MLCC的額定容值，還需將直流偏壓對元件的影響納入考量。