Suy giảm điện dung MLCC theo điện áp DC bias: đo bằng máy đo LCR và đọc đúng datasheet

Một tụ 4,7 µF trên bản vẽ có thể chỉ còn 0,33 µF khi mạch chạy. Đó không phải hàng giả, cũng không phải lỗi hàn, mà là suy giảm điện dung MLCC theo điện áp DC bias: tụ gốm Class II mất một phần lớn điện dung khi có điện áp một chiều đặt lên. Hiện tượng này không nằm trong mã X7R hay X5R in trên datasheet, nên người thiết kế bộ nguồn, mạch lọc hay mạch định thời dễ bỏ qua. Bài viết giải thích vì sao mã nhiệt độ không nói gì về điện áp, mức suy giảm thực tế, cách đo đường cong điện dung theo điện áp bằng máy đo LCR và cách đọc datasheet cho đúng.

Suy giảm điện dung MLCC theo DC bias: vì sao mã X7R không nói hết

Tụ gốm điện môi X7R, X5R hay Y5V được đặt tên theo mã đặc tính nhiệt kiểu EIA. Mã gồm ba ký tự: nhiệt độ thấp, nhiệt độ cao và mức thay đổi điện dung. X7R nghĩa là điện dung thay đổi không quá ±15% trong khoảng −55 tới +125 °C; X5R là ±15% trong −55 tới +85 °C; Y5V là +22/−82% trong −30 tới +85 °C. Datasheet X5R của KEMET ghi rõ mức thay đổi theo nhiệt độ này được xác định “với 0 Vdc”, tức khi không có điện áp một chiều.

Bài hướng dẫn 5527 của Maxim (nay thuộc Analog Devices) nói thẳng: các mã như X7R và Y5V không hàm ý gì về hệ số điện áp, và không có chỉ tiêu hệ số điện áp nào cho X7R hay bất kỳ loại nào khác. Một nhà sản xuất có thể gọi một tụ là X7R miễn nó đạt chỉ tiêu nhiệt độ, bất kể hệ số điện áp tệ đến đâu.

Nguyên nhân nằm ở vật liệu. Theo Murata, tụ Class II dùng barium titanate, một vật liệu sắt điện; điện áp một chiều bên ngoài hạn chế sự định hướng của các miền phân cực tự phát, nên điện dung giảm. Tụ Class I như C0G dùng vật liệu thuận điện, gần như không có đặc tính DC bias; KEMET ghi C0G có hệ số nhiệt 0 ±30 ppm/°C và điện dung không đổi theo thời gian lẫn điện áp.

Mức suy giảm thực tế: vỏ nhỏ, điện áp cao thì mất nhiều hơn

Các ví dụ công khai của nhà sản xuất cho thấy biên độ của vấn đề:

• Maxim 5527: tụ 4,7 µF, định mức 6,3 V, vỏ 0603, loại Y5V, ở 5 V chỉ còn 0,33 µF, thấp hơn danh định 92,9%.
• Cùng bài: tụ 4,7 µF định mức 16 V chạy ở 12 V còn khoảng 1,5 µF với vỏ 0805, nhưng còn 3,4 µF nếu dùng vỏ 1206. Tác giả khảo sát X5R, X7R từ vỏ 0603 tới 1812 và kết luận vỏ càng lớn, biến thiên theo điện áp càng giảm đáng kể, vì vỏ nhỏ phải đánh đổi hệ số điện áp để đạt mật độ điện dung.
• Murata: tụ 100 µF định mức 6,3 V đặt 1,8 V DC giảm khoảng 10% với X5R và khoảng 40% với Y5V.

Điện áp xoay chiều cũng ảnh hưởng, theo chiều ngược lại. Murata cho biết khi đo ở dưới 0,5 Vrms, điện dung đọc được cũng giảm; ví dụ tụ 22 µF định mức 6,3 V đo ở 0,2 Vrms, 120 Hz giảm khoảng 10% với X5R và 20% với Y5V. Vì vậy một phép đo điện dung MLCC chỉ có nghĩa khi ghi rõ cả mức AC lẫn mức DC.

Aging và lịch sử bias

Tụ Class II còn mất điện dung theo thời gian. KEMET đặt điểm Curie của barium titanate khoảng 130 °C (Murata ghi khoảng 125 °C); sau lần gia nhiệt cuối vượt điểm này, điện dung giảm gần tuyến tính theo logarit thời gian. Ví dụ của KEMET cho tụ 10 µF X7R là khoảng 3% mỗi decade giờ; datasheet X5R của hãng đặt mức tối đa 5% mỗi decade giờ. Gia nhiệt lại (KEMET: 150 °C tối thiểu 30 phút) đưa tụ về trạng thái ban đầu.

Điện áp DC giữ lâu làm hiện tượng nặng thêm. Tài liệu trắng 45263 của Vishay thử tụ 0603 X7R 100 nF/50 V ở 20 V: sau 1 000 giờ, tụ của một số hãng mất hơn 20% điện dung; sau khi bỏ bias, có mẫu cần 50 tới 1 000 giờ mới hồi về khoảng 95%, và mọi mẫu về 100% sau khi xử lý 150 °C trong 1 giờ. Vishay cũng chỉ ra đường phân cực của vật liệu có trễ, nên kết quả phụ thuộc chiều quét điện áp.

Đo điện áp DC bias bằng máy đo LCR: quy trình và điều kiện

Để kết quả so sánh được với datasheet, dùng đúng điều kiện đo mà nhà sản xuất dùng. Với Class II, datasheet KEMET và Murata ghi 1 kHz, 1,0 ±0,2 Vrms cho tụ đến 10 µF (Murata dùng 0,5 Vrms với tụ định mức từ 6,3 V trở xuống), và 120 Hz, 0,5 Vrms cho tụ trên 10 µF. Tụ Class I đến 1 000 pF đo ở 1 MHz. Murata yêu cầu tiền xử lý tụ Class II ở 150 °C trong một giờ rồi để 24 ±2 giờ ở nhiệt độ phòng trước lần đo đầu.

Chính Murata công bố điều kiện đo cho dữ liệu DC bias trên công cụ SimSurfing: máy đo LCR Keysight E4980A với đồ gá SMD 16034E/G, quét DC bias từ 0 tới điện áp định mức, giữ bias 60 giây ở mỗi điểm, nhiệt độ 25 ±3 °C. Đây là quy trình tham chiếu tốt để tự dựng lại.

1. Đồ gá và bù: dùng đồ gá SMD phù hợp kích thước chip (16034E nhận chip nhỏ nhất 1,6 × 0,8 mm, ±40 V), bù hở mạch và ngắn mạch trước khi đo. Murata khuyên khi bù hở mạch cho tụ nhỏ, đặt khe hở giữa hai đầu đo bằng chiều dài chip.
2. Bật ALC: E4980A có trở nguồn danh định 100 Ω, nên với tụ trở kháng thấp, điện áp thực trên tụ sụt so với mức đặt. Murata ghi nhận với tụ GRM188B11H103K đặt 1,0 Vrms, khi tắt ALC trên tụ chỉ còn khoảng 0,65 Vrms, làm điện dung đọc được thấp. ALC của E4980A lặp phản hồi 2 tới 9 lần mỗi lần đo để giữ đúng mức.
3. Kiểm tra dòng tín hiệu: tính nhanh, tụ 10 µF ở 1 kHz có trở kháng khoảng 15,9 Ω, cần khoảng 63 mArms để giữ 1 Vrms. Con số này vượt 20 mArms của cấu hình chuẩn nhưng nằm trong 100 mArms của tuỳ chọn 001; đó là lý do tụ lớn đo ở 120 Hz, 0,5 Vrms.
4. Quét bias: dùng list sweep (tối đa 201 điểm trên E4980A) từ 0 tới điện áp định mức, giữ đủ thời gian ở mỗi điểm. Datasheet E4980A cho thời gian ổn định DC bias theo công thức C_DUT × 100 × ln(2/1,8 m) + 3 ms với cấu hình chuẩn và C_DUT × 100 × ln(40/1,8 m) + 3 ms với tuỳ chọn 001; thời gian giữ 60 giây của Murata dài hơn nhiều để bao cả hiện tượng hồi phục của vật liệu.
5. Ghi lịch sử mẫu: ghi thời điểm tiền xử lý nhiệt, chiều quét lên hay xuống, và không đo lại ngay trên mẫu vừa giữ bias lâu.

Khái niệm mô hình tương đương, hệ số tổn hao D và bù bốn cực đôi được trình bày chi tiết trong bài đo linh kiện thụ động: LCR, hệ số Q và mô hình tương đương.

Đọc đúng datasheet: từ điện dung danh định tới điện dung hiệu dụng

Con số trên trang đầu datasheet là điện dung danh định ở điều kiện đo chuẩn, 0 Vdc, sau thời gian tham chiếu 48 hoặc 1 000 giờ. Điện dung hiệu dụng trong mạch là con số đó nhân với nhiều hệ số cùng lúc:

• Điện áp DC bias thực tế: tra đường cong điện dung theo điện áp của đúng mã linh kiện, không suy từ mã X7R.
• Nhiệt độ: ±15% với điện môi X7R/X5R trong dải, nhưng xác định ở 0 Vdc; ảnh hưởng nhiệt và DC bias cộng dồn.
• Mức AC: gợn áp nhỏ trên tụ lọc cho điện dung thấp hơn mức đo 1 Vrms.
• Aging: tính theo số decade giờ từ lần gia nhiệt cuối, cộng thêm hiệu ứng giữ bias lâu nếu có.
• Dung sai sản xuất: ±10% hoặc ±20% tuỳ mã.

Khi không có đường cong cho đúng mã, cách chắc chắn nhất là đo mẫu thật ở điện áp làm việc. Với thiết kế nguồn, chọn vỏ lớn hơn hoặc định mức điện áp cao hơn thường rẻ hơn thêm tụ song song.

Chọn thiết bị Keysight để đo suy giảm điện dung MLCC

• Đo theo điều kiện datasheet, 20 Hz – 2 MHz: máy đo LCR Keysight E4980A, độ chính xác cơ bản 0,05%. Cấu hình chuẩn chỉ có DC bias 0, 1,5 hoặc 2 V; muốn quét tới điện áp định mức của tụ cần tuỳ chọn 001 với bias −40 tới +40 V, ±100 mA và tín hiệu tới 20 Vrms.
• Thế hệ mới cùng chỉ tiêu: máy đo LCR Keysight E4980B theo datasheet 2024 có cùng dải tần, độ chính xác và cấu hình DC bias như E4980A (chuẩn 0/1,5/2 V, tuỳ chọn 001 tới ±40 V).
• Quét cả tần số lẫn điện áp, tới 120 MHz: máy phân tích trở kháng Keysight E4990A, 20 Hz tới 10/20/30/50/120 MHz tuỳ tuỳ chọn, DC bias 0 tới ±40 V có sẵn ở cấu hình chuẩn, quét bias tuyến tính hoặc logarit; phù hợp khi cần xem cả tần số tự cộng hưởng và ESR theo điện áp.
• Linh kiện có chân cần bias cao: đồ gá bias ngoài 16065A chịu tới ±200 V DC, 50 Hz – 2 MHz.

Kết luận

Suy giảm điện dung MLCC theo DC bias là đặc tính vật liệu, không phải lỗi, và không được mã X7R hay X5R mô tả. Vỏ nhỏ, điện áp cao, mức AC thấp, thời gian và lịch sử bias đều kéo điện dung hiệu dụng xuống, có khi còn dưới một phần mười danh định. Cách duy nhất để biết chắc là đo đường cong điện dung theo điện áp trong điều kiện chuẩn: đúng tần số, đúng mức AC có ALC, tiền xử lý nhiệt, giữ bias đủ lâu.

Phép đo ở mức 0,05% chỉ có ý nghĩa khi máy đo LCR và đồ gá được hiệu chuẩn định kỳ. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy đo LCR và máy phân tích trở kháng theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo DC bias và lịch hiệu chuẩn.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.