Tụ gốm nhiều lớp (MLCC) đã phát triển nhanh chóng và ngày càng được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, một yếu tố thường bị bỏ qua trong thiết kế là hiện tượng phân cực điện áp một chiều (DC bias), ảnh hưởng đến điện dung của các tụ gốm thuộc loại 2. Hiện tượng này có thể khiến điện dung thực tế rơi ra ngoài phạm vi cho phép của ứng dụng, gây ra sự cố kỹ thuật. Tuy nhiên, có một số cách để khắc phục vấn đề này.
Ảnh hưởng của DC bias đến điện dung
Hiệu ứng DC bias có thể được kiểm chứng trong phòng thí nghiệm. TDK đã thử nghiệm một tụ điện 3216X7R1μF có điện áp danh định 25V và kết nối nó với đồng hồ LCR. Khi ở 0V, tụ đo được 1µF, nhưng khi điện áp tăng lên 25V, điện dung giảm hơn 40% so với giá trị danh định.
Nguyên nhân của hiện tượng này xuất phát từ cấu trúc của tụ gốm: vật liệu điện môi được làm từ titanate bari (BaTiO₃), một vật liệu có tính sắt điện. Khi không có điện áp DC, các lưỡng cực điện (dipole) phân bố ngẫu nhiên, tạo ra điện dung cao. Tuy nhiên, khi áp điện áp DC, các lưỡng cực này bắt đầu sắp xếp theo chiều điện trường, làm giảm điện dung. Khi điện áp tiếp tục tăng, điện dung có thể giảm đến 50% hoặc hơn so với giá trị danh định.
Mặc dù ảnh hưởng của DC bias là không thể tránh khỏi, nhưng có một số cách để giảm thiểu tác động của nó.
Cải thiện thiết kế mạch để giảm tác động của DC bias
So sánh các đường cong DC bias của tụ loại 2 cho thấy một số giải pháp giúp giảm ảnh hưởng này trong ứng dụng thực tế:
- Sử dụng một tụ điện có điện dung 1nF với điện áp danh định 16V, điện dung sẽ giảm 9% ở 10V và 21% ở 16V. Tuy nhiên, nếu sử dụng tụ có điện áp danh định 25V, điện dung chỉ giảm 2% ở 10V. Điều này là do lớp điện môi của tụ điện dày hơn khi có điện áp danh định cao hơn, giúp giảm ảnh hưởng của điện trường.
- Sử dụng tụ điện có điện dung thấp hơn nhưng có lớp điện môi dày hơn, hoặc kết nối nhiều tụ có điện dung nhỏ song song để đạt tổng điện dung mong muốn mà vẫn hạn chế ảnh hưởng của DC bias.
- Chọn tụ có kích thước lớn hơn (package size lớn hơn), vì chúng thường có lớp điện môi dày hơn và có đặc tính DC bias tốt hơn.
Ví dụ thực tế: Ảnh hưởng của DC bias khi không được tính đến
Một khách hàng sử dụng tụ gốm 0805 4.7μF X5R, 25V với dung sai 10%. Khi đo ở 1kHz và điện áp hiệu dụng (V_eff), khách hàng phát hiện ra rằng tại 14.5V, điện dung thực tế chỉ còn khoảng 1µF thay vì 1.5µF như các mẫu thử trước đó. Điều này dẫn đến tín hiệu gợn sóng ở 15V, gây suy giảm điện áp của bộ điều khiển IPM và làm MOSFET đóng ngắt kém, dẫn đến quá dòng trong cuộn dây động cơ.
Nguyên nhân là do các nhà sản xuất sử dụng hai hỗn hợp vật liệu khác nhau để đảm bảo độ tin cậy của điện áp. Ở 14.5V, một loại vật liệu cho giá trị điện dung khoảng 1µF, trong khi loại khác đạt 1.5µF. Khách hàng ban đầu nhận được tụ có đặc tính DC bias thấp hơn, nhưng khi nhận phải lô hàng có đặc tính DC bias kém hơn, mạch điện không hoạt động như mong đợi.
Giải pháp khắc phục tổn hao điện dung do DC bias
Để tránh vấn đề này, cần hiểu rõ yêu cầu điện áp thực tế trong ứng dụng và đặc tính của MLCC. Khi thiết kế mạch, nên xem xét:
- Điện áp thực tế trong hoạt động
- Ảnh hưởng của nhiệt độ
- Ngưỡng điện dung tối thiểu cần thiết
Nếu có sự sai lệch lớn giữa giá trị danh định và giá trị thực tế, hãy tham khảo ý kiến của nhà sản xuất tụ điện. Để giảm thiểu tổn hao điện dung do DC bias, có thể áp dụng ba phương pháp:
- Kết nối nhiều tụ có điện dung nhỏ hơn song song – giúp tăng tổng điện dung nhưng vẫn giữ lớp điện môi dày hơn.
- Chọn tụ có điện áp danh định cao hơn – giúp giảm ảnh hưởng của điện trường.
- Sử dụng tụ có kích thước lớn hơn – các package lớn hơn thường có lớp điện môi dày hơn, giảm ảnh hưởng của DC bias.
Bằng cách này, kỹ sư thiết kế có thể tránh được các vấn đề kỹ thuật và đảm bảo hiệu suất ổn định cho hệ thống điện tử.