作者：王一一，知乎《硬件之路》

一、電容的基本原理

電容，和電感、電阻一起，是電子學(xué)三大基本無(wú)源器件；電容的功能就是以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存電能量。

以平行板電容器為例，簡(jiǎn)單介紹下電容的基本原理

Q。

電容儲(chǔ)存的電荷量Q與電壓U和自身屬性(也就是電容值C)有關(guān)，也就是Q=U*C。根據(jù)理論推導(dǎo)，平行板電容器的電容公式如下：

通交流

電壓可以在電容內(nèi)部形成一個(gè)電場(chǎng)，而交流電壓就會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。根據(jù)麥克斯韋方程組中的全電流定律：

即電流或變化的電場(chǎng)都可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，麥克斯韋將ε(?E/?t)定義為位移電流，是一個(gè)等效電流，代表著電場(chǎng)的變化。(這里電流代表電流密度，即J)

設(shè)交流電壓為正弦變化，即：

實(shí)際位移電流等于電流密度乘以面積：

1/ωC，頻率很高時(shí)，電容容抗會(huì)很小，也就是通高頻。

下圖是利用ANSYS HFSS仿真的平行板電容器內(nèi)部的電磁場(chǎng)的變化。

橫截面電場(chǎng)變化(GIF動(dòng)圖，貌似要點(diǎn)擊查看)

縱斷面磁場(chǎng)變化(GIF動(dòng)圖，貌似要點(diǎn)擊查看)

隔直流

直流電壓不隨時(shí)間變化，位移電流ε(?E/?t)為0，直流分量無(wú)法通過(guò)。

實(shí)際電容等效模型

實(shí)際電容的特性都是非理想的，有一些寄生效應(yīng)；因此，需要用一個(gè)較為復(fù)雜的模型來(lái)表示實(shí)際電容，常用的等效模型如下：

• 由于介質(zhì)都不是絕對(duì)絕緣的，都存在著一定的導(dǎo)電能力；因此，任何電容都存在著漏電流，以等效電阻Rleak表示；

• 電容器的導(dǎo)線(xiàn)、電極具有一定的電阻率，電介質(zhì)存在一定的介電損耗；這些損耗統(tǒng)一以等效串聯(lián)電阻ESR表示；

• 電容器的導(dǎo)線(xiàn)存在著一定的電感，在高頻時(shí)影響較大，以等效串聯(lián)電感ESL表示；

• 另外，任何介質(zhì)都存在著一定電滯現(xiàn)象，就是電容在快速放電后，突然斷開(kāi)電壓，電容會(huì)恢復(fù)部分電荷量，以一個(gè)串聯(lián)RC電路表示。

大多數(shù)時(shí)候，主要關(guān)注電容的ESR和ESL。

品質(zhì)因數(shù)(Quality Factor)

和電感一樣，可以定義電容的品質(zhì)因數(shù)，也就是Q值，也就是電容的儲(chǔ)存功率與損耗功率的比：

Qc=(1/ωC)/ESR

Q值對(duì)高頻電容是比較重要的參數(shù)。

自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

由于ESL的存在，與C一起構(gòu)成了一個(gè)諧振電路，其諧振頻率便是電容的自諧振頻率。在自諧振頻率前，電容的阻抗隨著頻率增加而變??；在自諧振頻率后，電容的阻抗隨著頻率增加而變小，就呈現(xiàn)感性；如下圖所示：

圖出自Taiyo Yuden的EMK042BJ332MC-W規(guī)格書(shū)

二、電容的工藝與結(jié)構(gòu)

根據(jù)電容公式，電容量的大小除了與電容的尺寸有關(guān)，與電介質(zhì)的介電常數(shù)(Permittivity)有關(guān)。電介質(zhì)的性能影響著電容的性能，不同的介質(zhì)適用于不同的制造工藝。

常用介質(zhì)的性能對(duì)比，可以參考AVX的一篇技術(shù)文檔。

AVX Dielectric Comparison Chart

電容的制造工藝主要可以分為三大類(lèi)：

• 薄膜電容(Film Capacitor)

• 電解電容(Electrolytic Capacitor)

• 陶瓷電容(Ceramic Capacitor)

2.1 薄膜電容(Film Capacitor)

Film Capacitor在國(guó)內(nèi)通常翻譯為薄膜電容，但和Thin Film工藝是不一樣的。為了區(qū)分，個(gè)人認(rèn)為直接翻譯為膜電容好點(diǎn)。

薄膜電容是通過(guò)將兩片帶有金屬電極的塑料膜卷繞成一個(gè)圓柱形，最后封裝成型；由于其介質(zhì)通常是塑料材料，也稱(chēng)為塑料薄膜電容；其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致如下圖所示：

原圖來(lái)自于維基百科

薄膜電容根據(jù)其電極的制作工藝，可以分為兩類(lèi)：

金屬箔薄膜電容(Film/Foil)

金屬箔薄膜電容，直接在塑料膜上加一層薄金屬箔，通常是鋁箔，作為電極；這種工藝較為簡(jiǎn)單，電極方便引出，可以應(yīng)用于大電流場(chǎng)合。

金屬化薄膜電容(Metallized Film)

金屬化薄膜電容，通過(guò)真空沉積(Vacuum Deposited)工藝直接在塑料膜的表面形成一個(gè)很薄的金屬表面，作為電極；由于電極厚度很薄，可以繞制成更大容量的電容；但由于電極厚度薄，只適用于小電流場(chǎng)合。

金屬化薄膜電容就是具有自我修復(fù)的功能，即假如電容內(nèi)部有擊穿損壞點(diǎn)，會(huì)在損壞處產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，氣化金屬在損壞處將形成一個(gè)氣化集合面，短路消失，損壞點(diǎn)被修復(fù)；因此，金屬化薄膜電容可靠性非常高，不存在短路失效；

薄膜電容有兩種卷繞方法：有感繞法在卷繞前，引線(xiàn)就已經(jīng)和內(nèi)部電極連在一起；無(wú)感繞法在繞制后，會(huì)采用鍍金等工藝，將兩個(gè)端面的內(nèi)部電極連成一個(gè)面，這樣可以獲得較小的ESL，應(yīng)該高頻性能較高；此外，還有一種疊層型的無(wú)感電容，結(jié)構(gòu)與MLCC類(lèi)似，性能較好，便于做成SMD封裝。

原圖出自http://www.global.tdk.com/techmag/electronics_primer/vol4.htm

最早的薄膜電容的介質(zhì)材料是用紙浸注在油或石蠟中，英國(guó)人D'斐茨杰拉德于1876年發(fā)明的；工作電壓很高?，F(xiàn)在多用塑料材料，也就是高分子聚合物，根據(jù)其介質(zhì)材料的不同，主要有以下幾種：

應(yīng)用最多的薄膜電容是聚酯薄膜電容，比較便宜，由于其介電常數(shù)較高，尺寸可以做的較?。黄浯尉褪蔷郾┍∧る娙?。其他材料還有聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等等。

薄膜電容的特點(diǎn)就是可以做到大容量，高耐壓；但由于工藝原因，其尺寸很難做小，通常應(yīng)用于強(qiáng)電電路，例如電力電子行業(yè)；基本上是長(zhǎng)這個(gè)樣子：

截圖于High Power Capacitors For Power Electronics - AVX

引申閱讀：

• Film capacitor

• Capacitors, Part 4 "Film Capacitors [1]"

• AVX PRODUCT GUIDE FOR MEDIUM & HIGH POWER FILM CAPACITORS

2.2 電解電容(Electrolytic Capacitor)

電解電容是用金屬作為陽(yáng)極(Anode)，并在表面形成一層金屬氧化膜作為介質(zhì)；然后濕式或固態(tài)的電解質(zhì)和金屬作為陰極(Cathode)。電解電容大都是有極性的，如果陰極側(cè)的金屬，也有一層氧化膜，就是無(wú)極性的電解電容。

根據(jù)使用的金屬的不同，目前只要有三類(lèi)電解電容：

鋁電解電容(Aluminum electrolytic capacitors)

鋁電解電容應(yīng)該是使用最廣泛的電解電容，最便宜，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

原圖出自http://www.global.tdk.com/techmag/electronics_primer/vol6.htm

鋁電解電容的制作工藝大致有如下幾步：

• 首先，鋁箔會(huì)通過(guò)電蝕刻(Etching)的方式，形成一個(gè)非常粗糙的表面，這樣增大了電極的表面積，可以增大電容量；

• 再通過(guò)化學(xué)方法將陽(yáng)極氧化，形成一個(gè)氧化層，作為介質(zhì)；

• 然后，在陽(yáng)極鋁箔和陰極鋁箔之間加一層電解紙作為隔離，壓合繞制；

• 最后，加注電解液，電解紙會(huì)吸收電解液，封裝成型。

使用電解液的濕式鋁電解電容應(yīng)用最廣；優(yōu)點(diǎn)就是電容量大、額定電壓高、便宜；缺點(diǎn)也很明顯，就是壽命較短、溫度特性不好、ESR和ESL較大。對(duì)于硬件開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，需要避免過(guò)設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足性能要求的情況下，便宜就是最大的優(yōu)勢(shì)。

下圖是基美(Kemet)的鋁電解電容產(chǎn)品，大致可以看出鋁電解電容的特點(diǎn)。

原圖截圖于KEMET網(wǎng)站

鋁電解電容也有使用二氧化錳、導(dǎo)電高分子聚合物等固態(tài)材料做電解質(zhì)；聚合物鋁電解電容的結(jié)構(gòu)大致如下圖所示：

原圖出自Polymer Aluminum Electrolytic Capacitors - Murata

聚合物鋁電解電容的ESR較小，容值更穩(wěn)定，瞬態(tài)響應(yīng)好；由于是固態(tài)，抗沖擊振動(dòng)能力比濕式的要好；可以做出較小的SMD封裝。當(dāng)然，濕式的鋁電解電容也可以做SMD封裝，不過(guò)大都是長(zhǎng)這樣：

圖片來(lái)源于百度圖片

而聚合物鋁電解電容的封裝長(zhǎng)這樣：

圖片來(lái)自Murata網(wǎng)站

引申閱讀：

• Polymer Capacitor Basics (Part 1): What Is a Polymer Capacitor?

• Polymer Capacitor Basics (Part 2): What Is a Polymer Capacitor?

鉭電解電容(Tantalum electrolytic capacitors)

鉭(拼音tǎn)電解電容應(yīng)用最多的應(yīng)該是利用二氧化錳做固態(tài)電解質(zhì)，主要長(zhǎng)這樣：

圖片出自Solid Tantalum MnO2 Capacitors

固態(tài)鉭電解電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致如下圖所示：

原圖出自Vishay技術(shù)文檔

鉭電容與鋁電解電容比，在于鉭氧化物(五氧化二鉭)的介電常數(shù)比鋁氧化物(三氧化二鋁)的高不少，這樣相同的體積，鉭電容容量要比鋁電解電容的要大。鉭電容壽命較長(zhǎng)，電性能更加穩(wěn)定。

鉭電容也有利用導(dǎo)電高分子聚合物(Conductive Polymer)做電解質(zhì)，結(jié)構(gòu)與上圖二氧化錳鉭電容類(lèi)似，就是將二氧化錳換成導(dǎo)電聚合物；導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率比二氧化錳高，這樣ESR就會(huì)更低。

另外還有濕式的鉭電容，特點(diǎn)就是超大容量、高耐壓、低直流漏電流，主要用于軍事和航天領(lǐng)域。濕式的鉭電容主要長(zhǎng)這樣：

截圖于Vishay技術(shù)文檔

引申閱讀：

• Guide for Tantalum Solid Electrolyte Chip Capacitors with Polymer Cathode

• Wet Electrolyte Tantalum Capacitors

鈮電解電容(Niobium electrolytic capacitors)

鈮電解電容與鉭電解電容類(lèi)似，就是鈮及其氧化物代替鉭；鈮氧化物(五氧化二鈮)的介電常數(shù)比鉭氧化物(五氧化二鉭)更高；鈮電容的性能更加穩(wěn)定，可靠性更高。

AVX有鈮電容系列產(chǎn)品，二氧化錳鉭電容外觀(guān)是黃色，而鈮電容外觀(guān)是橙紅色，大致長(zhǎng)這樣：

圖片出自AVX網(wǎng)站

引申閱讀：

• Tantalum Polymer and Niobium OxideCapacitors

• OxiCap? - niobium oxide capacitor

電解電容對(duì)比表，數(shù)據(jù)來(lái)源于維基百科，僅供參考。

引申閱讀：

• Electrolytic capacitor

2.3 陶瓷電容(Ceramic Capacitor)

陶瓷電容是以陶瓷材料作為介質(zhì)材料，陶瓷材料有很多種，介電常數(shù)、穩(wěn)定性都有不同，適用于不同的場(chǎng)合。

陶瓷電容，主要有以下幾種：

瓷片電容(Ceramic Disc Capacitor)

瓷片電容的主要優(yōu)點(diǎn)就是可以耐高壓，通常用作安規(guī)電容，可以耐250V交流電壓。其外觀(guān)和結(jié)構(gòu)如下圖所示：

原圖出自本小節(jié)兩篇引申閱讀

引申閱讀：

• Capacitors | DE1 series lineup

• Ceramic Capacitor

多層陶瓷電容(Multi-layer Ceramic Capacitor)

多層陶瓷電容，也就是MLCC，片狀(Chip)的多層陶瓷電容是目前世界上使用量最大的電容類(lèi)型，其標(biāo)準(zhǔn)化封裝，尺寸小，適用于自動(dòng)化高密度貼片生產(chǎn)。

作者，也就是我自己設(shè)計(jì)的主板，自己拍的照片，加了藝術(shù)效果；沒(méi)有標(biāo)引用和出處的圖片和內(nèi)容，絕大多數(shù)都是我自己畫(huà)或弄出來(lái)的，剩下一點(diǎn)點(diǎn)可能疏忽忘加了；標(biāo)引用的圖片，很多都是我重新加工的，例如翻譯或幾張圖拼在一起等等，工具很土EXCEL+截圖。

多層陶瓷電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

原圖出自SMD MLCC for High Power Applications - KEMET

多層陶瓷電容生產(chǎn)流程如下圖所示：

原圖出自Capacitors, Part 2 "Ceramic Capacitors [1]"

由于多層陶瓷需要燒結(jié)瓷化，形成一體化結(jié)構(gòu)，所以引線(xiàn)(Lead)封裝的多層陶瓷電容，也叫獨(dú)石(Monolithic)電容。

在談?wù)勲姼兄幸步榻B過(guò)多層陶瓷工藝和Thin Film工藝。Thin Film技術(shù)在性能或工藝控制方面都比較先進(jìn)，可以精確的控制器件的電性能和物理性能。因此，Thin Film電容性能比較好，最小容值可以做到0.05pF，而容差可以做到0.01pF；比通常MLCC要好很多，像Murata的GJM系列，最小容值是0.1pF，容差通常都是0.05pF；因此，Thin Film電容可以用于要求比較高的RF領(lǐng)域，AVX有Accu-P?系列。

引申閱讀

• Thin Film Capacitor - AVX

• Ceramic capacitor

• BME and PME Ceramic’s Hidden Property - KEMET

陶瓷介質(zhì)的分類(lèi)

根據(jù)EIA-198-1F-2002，陶瓷介質(zhì)主要分為四類(lèi)：

• Class I：具有溫度補(bǔ)償特性的陶瓷介質(zhì)，其介電常數(shù)大都較低，不超過(guò)200。通常都是順電性介質(zhì)(Paraelectric)，溫度、頻率以及偏置電壓下，介電常數(shù)比較穩(wěn)定，變化較小。損耗也很低，耗散因數(shù)小于0.01。

截圖自Materials Development for Commercial Multilayer Ceramic Capacitors，Page26

性質(zhì)最穩(wěn)定，應(yīng)用最多的是C0G電容，也就是NP0。NP0是IEC/EN 60384-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的代號(hào)，即Negative Positive Zero，也就是用N和P來(lái)表示正負(fù)偏差。

由于介電常數(shù)低，C0G電容的容值較小，最大可以做到0.1uF，0402封裝通常最大只有1000pF。

• Class II，III：其中，溫度特性A-S屬于Class II，介電常數(shù)幾千左右。溫度特性T-V屬于Class III，介電常數(shù)最高可以到20000，可以看出Class III的性能更加不穩(wěn)定。根據(jù)IEC的分類(lèi)，Class II和III都屬于第二類(lèi)，高介電常數(shù)介質(zhì)。像X5R和X7R都是Class II電容，在電源去耦中應(yīng)用較多，而Y5V屬于Class III電容，性能不太穩(wěn)定，個(gè)人覺(jué)得現(xiàn)在應(yīng)用不多了。

截圖自Materials Development for Commercial Multilayer Ceramic Capacitors，Page103

由于Class II和III電容的容值最高可以做到幾百u(mài)F，但由于高介電常數(shù)介質(zhì)，大都是鐵電性介質(zhì)(Ferroelectric)，溫度穩(wěn)定性差。此外，鐵電性介質(zhì)，在直流偏置電壓下介電常數(shù)會(huì)下降。

在談?wù)勲姼幸晃闹?，介紹了鐵磁性介質(zhì)存在磁滯現(xiàn)象，當(dāng)內(nèi)部磁場(chǎng)超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致磁導(dǎo)率下降；同樣的，對(duì)于鐵電性介質(zhì)存在電滯現(xiàn)象，當(dāng)內(nèi)部電場(chǎng)超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)發(fā)生電飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致介電常數(shù)下降。

因此，當(dāng)Class II和III電容的直流偏置電壓超過(guò)一定值時(shí)，電容會(huì)明顯下降，如下圖所示：

圖片來(lái)源GRM188R60J226MEA0 - Murata

• Class IV：制作工藝和通常的陶瓷材料不一樣，內(nèi)部陶瓷顆粒都是外面一層很薄的氧化層，而核心是導(dǎo)體。這種類(lèi)型的電容容量很大，但擊穿電壓很小。由于此類(lèi)電容的性能不穩(wěn)定，損耗高，現(xiàn)在已經(jīng)基本被淘汰了。

引申閱讀：

• ECA-EIA-198-1-F-2002

• Materials Development for Commercial Multilayer Ceramic Capacitors

• Hysteresis in Piezoelectric and Ferroelectric Materials

電容類(lèi)型總結(jié)表

原圖出自維基百科

還有一類(lèi)超級(jí)電容，就是容量特別大，可以替代電池作為供電設(shè)備，也可以和電池配合使用。超級(jí)電容充電速度快，可以完全地充放電，而且可以充到任何想要的電壓，只要不超過(guò)額定電壓。現(xiàn)在應(yīng)用也比較多，國(guó)內(nèi)很多城市都有超級(jí)電容電動(dòng)公交車(chē)；還有些電子產(chǎn)品上也有應(yīng)用，例如一些行車(chē)記錄儀上，可以持續(xù)供電幾天。

引申閱讀：

• What Is a Supercapacitor (EDLC)?

• Murata Supercapacitor Technical Note

• Capacitor types

• Comparison of Multilayer Ceramic and Tantalum Capacitors

三、電容的應(yīng)用與選型

器件選型，其實(shí)就是從器件的規(guī)格書(shū)上提取相關(guān)的信息，判斷是否滿(mǎn)足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的要求。

3.1 概述

電容作為一個(gè)儲(chǔ)能元件，可以?xún)?chǔ)存能量。外部電源斷開(kāi)后，電容也可能帶電。因此，安全提示十分必要。有些電子設(shè)備內(nèi)部會(huì)貼個(gè)高壓危險(xiǎn)，小時(shí)候拆過(guò)家里的黑白電視機(jī)，拆開(kāi)后看到顯像管上貼了個(gè)高壓危險(xiǎn)，那時(shí)就有個(gè)疑問(wèn)，沒(méi)插電源也會(huì)有高壓?jiǎn)?？工作后，拆過(guò)幾個(gè)電源適配器，被電的回味無(wú)窮……

• 儲(chǔ)存能量就可以當(dāng)電源，例如超級(jí)電容；

• 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用非常廣。動(dòng)態(tài)易失性存儲(chǔ)器(DRAM)就是利用集成的電容陣列存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，電容充滿(mǎn)電就是1，放完電就是0。各種手機(jī)、電腦、服務(wù)器中內(nèi)存的使用量非常大，因此，內(nèi)存行業(yè)都可以作為信息產(chǎn)業(yè)的風(fēng)向標(biāo)了。

此外，電容還可以用作：

• 定時(shí)：電容充放電需要時(shí)間，可以用做定時(shí)器；還可以做延時(shí)電路，最常見(jiàn)的就是上電延時(shí)復(fù)位；一些定時(shí)芯片如NE556，可以產(chǎn)生三角波。

• 諧振源：與電感一起組成LC諧振電路，產(chǎn)生固定頻率的信號(hào)。

利用電容通高頻、阻低頻、隔直流的特性，電容還可以用作：

電源去耦

電源去耦應(yīng)該是電容最廣泛的應(yīng)用，各種CPU、SOC、ASIC的周?chē)⒈趁娣胖昧舜罅康碾娙?，目的就是保持供電電壓的穩(wěn)定。

首先，在DCDC電路中，需要選擇合適的輸入電容和輸出電容來(lái)降低電壓紋波。需要計(jì)算出相關(guān)參數(shù)。

此外，像IC工作時(shí)，不同時(shí)刻需要的工作電流是不一樣的，因此，也需要大量的去耦電容，來(lái)保證工作電壓得穩(wěn)定。

耦合隔直

設(shè)計(jì)電路時(shí)，有些情況下，只希望傳遞交流信號(hào)，不希望傳遞直流信號(hào)，這時(shí)候可以使用串聯(lián)電容來(lái)耦合信號(hào)。

例如多級(jí)放大器，為了防止直流偏置相互影響，靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算復(fù)雜，通常級(jí)間使用電容耦合，這樣每一級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)可以獨(dú)立分析。

例如PCIE、SATA這樣的高速串行信號(hào)，通常也使用電容進(jìn)行交流耦合。

旁路濾波

旁路，顧名思義就是將不需要的交流信號(hào)導(dǎo)入大地。濾波其實(shí)也是一個(gè)意思。在微波射頻電路中，各種濾波器的設(shè)計(jì)都需要使用電容。此外，像EMC設(shè)計(jì)，對(duì)于接口處的LED燈，都會(huì)在信號(hào)線(xiàn)上加一顆濾波電容，這樣可以提高ESD測(cè)試時(shí)的可靠性。

3.2 鋁電解電容

3.2.1 鋁電解電容(濕式)

鋁電解電容(濕式)無(wú)論是插件還是貼片封裝，高度都比較高，而且ESR都較高，不適合于放置于IC附近做電源去耦，通常都是用于電源電路的輸入和輸出電容。

原圖來(lái)自KEMET規(guī)格書(shū)

容值

從規(guī)格書(shū)中獲取電容值容差，通常鋁電解電容的容差都是±20%。計(jì)算最大容值和最小容值時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

額定電壓

鋁電解電容通常只適用于直流場(chǎng)合，設(shè)計(jì)工作電壓至少要低于額定電壓的80%。對(duì)于有浪涌防護(hù)的電路，其額定浪涌電壓要高于防護(hù)器件(通常是TVS)的殘壓。

例如，對(duì)于一些POE供電的設(shè)備，根據(jù)802.3at標(biāo)準(zhǔn)，工作電壓最高可達(dá)57V，那么選擇的TVS鉗位電壓有90多V，那么至少選擇額定電壓100V的鋁電解電容。此時(shí)，也只有鋁電解電容能同時(shí)滿(mǎn)足大容量的要求。

原圖來(lái)自Littelfuse的TVS規(guī)格書(shū)

耗散因數(shù)

設(shè)計(jì)DCDC電路時(shí)，輸出電容的ESR影響輸出電壓紋波，因此需要知道鋁電解電容的ESR，但大多數(shù)鋁電解電容的規(guī)格書(shū)只給出了耗散因數(shù)tanδ?？梢愿鶕?jù)以下公式來(lái)計(jì)算ESR：

ESR = tanδ/(2πfC)

例如，120Hz時(shí)，tanδ為16%，而C為220uF，則ESR約為965mΩ?？梢?jiàn)鋁電解電容的ESR非常大，這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓紋波很大。因此，使用鋁電解電容時(shí)，需要配合使用片狀陶瓷電容，靠近DCDC芯片放置。

隨著開(kāi)關(guān)頻率和溫度的升高，ESR會(huì)下降。

額定紋波電流

電容的紋波電流，要滿(mǎn)足DCDC設(shè)計(jì)的輸入和輸出電容的RMS電流的需求。鋁電解電容的額定紋波電流需要根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)修正。

壽命

鋁電解電容的壽命比較短，選型需要注意。而壽命是和工作溫度直接相關(guān)的，規(guī)格書(shū)通常給出產(chǎn)品最高溫度時(shí)的壽命，例如105℃時(shí)，壽命為2000小時(shí)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，工作溫度每下降10℃，壽命乘以2。如果產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用壽命為3年，也就是26280小時(shí)。則10*log2(26280/2000)=37.3℃，那么設(shè)計(jì)工作溫度不能超過(guò)65℃。

3.2.2 聚合物鋁電解電容

像Intel的CPU這樣的大功耗器件，一顆芯片80多瓦的功耗，核電流幾十到上百安，同時(shí)主頻很高，高頻成分多。這時(shí)對(duì)去耦電容的要求就很高：

• 電容值要大，滿(mǎn)足大電流要求；

• 額定RMS電流要大，滿(mǎn)足大電流要求；

• ESR要小，滿(mǎn)足高頻去耦要求；

• 容值穩(wěn)定性要好；

• 表面帖裝，高度不能太高，因?yàn)橥ǔ７胖迷贑PU背面的BOTTOM層，以達(dá)到最好的去耦效果。

這時(shí)，選擇聚合物鋁電解電容最為合適。

此外，對(duì)于音頻電路，通常需要用到耦合、去耦電容，由于音頻的頻率很低，所以需要用大電容，此時(shí)聚合物鋁電解電容也很合適。

3.3 鉭電容

根據(jù)前文相關(guān)資料的來(lái)源，可以發(fā)現(xiàn)，鉭電容的主要廠(chǎng)商就是Kemet、AVX、Vishay。

鉭屬于比較稀有的金屬，因此，鉭電容會(huì)比其他類(lèi)型的電容要貴一點(diǎn)。但是性能要比鋁電解電容要好，ESR更小，損耗更小，去耦效果更好，漏電流小。下圖是Kemet一款固態(tài)鉭電容的參數(shù)表：

截圖自Kemet規(guī)格書(shū)

額定電壓

固態(tài)鉭電容的工作電壓需要降額設(shè)計(jì)。正常情況工作電壓要低于額定電壓的50%；高溫環(huán)境或負(fù)載阻抗較低時(shí)，工作電壓要低于額定電壓的30%。具體降額要求應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)格書(shū)要求。

此外，還需要注意鉭電容的承受反向電壓的情況，交流成分過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致鉭電容承受反向電壓，導(dǎo)致鉭電容失效。

固態(tài)鉭電容的主要失效模式是短路失效，會(huì)直接導(dǎo)致電路無(wú)法工作，甚至起火等風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要額外注意可靠性設(shè)計(jì)，降低失效率。

對(duì)于一旦失效，就會(huì)造成重大事故的產(chǎn)品，建議不要使用固態(tài)鉭電容。

額定紋波電流

紋波電流流過(guò)鉭電容，由于ESR存在會(huì)導(dǎo)致鉭電容溫升，加上環(huán)境溫度，不要超過(guò)鉭電容的額定溫度以及相關(guān)降額設(shè)計(jì)。

3.4 片狀多層陶瓷電容

片狀多層陶瓷電容應(yīng)該是出貨量最大的電容，制造商也比較多，像三大日系TDK、muRata、Taiyo Yuden，美系像KEMET、AVX(已經(jīng)被日本京瓷收購(gòu)了)。

三大日系做的比較好的就是有相應(yīng)的選型軟件，有電感、電容等所有系列的產(chǎn)品及相關(guān)參數(shù)曲線(xiàn)，非常全，不得不再次推薦一下：

• SEAT 2013 - TDK

• Simsurfing - Murata

• Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library

3.4.1 Class I電容

Class I電容應(yīng)用最多的是C0G電容，性能穩(wěn)定，適用于諧振、匹配、濾波等高頻電路。

C0G電容的容值十分穩(wěn)定，基本不隨外界條件(頻率除外)變化，下圖是Murata一款1000pF電容的直流、交流及溫度特性。

圖片來(lái)自GRM1555C1H102JA01 - Murata

因此，通常只需要關(guān)注C0G電容的頻率特性。下圖是Murata的3款相同封裝(0402inch)相同容差(5%)的10pF電容的頻率特性對(duì)比。

圖片來(lái)自SimSurfing - Web - Murata

其中GRM是普通系列，GJM是高Q值系列、GQM是高頻系列，可見(jiàn)GQM系列高頻性能更好，自諧振頻率和Q值更高，一些高頻性能要求很高的場(chǎng)合，可以選用容差1%的產(chǎn)品。而GRM系列比較便宜，更加通用，例如EMC濾波。

3.4.2 Class II和Class III電容

Class II和Class III電容都是高介電常數(shù)介質(zhì)，性能不穩(wěn)定，容值變化范圍大，通常用作電源去耦或者信號(hào)旁路。

以Murata一款22uF、6.3V、X5R電容為例，相關(guān)特性曲線(xiàn)：

圖片來(lái)自GRM188R60J226MEA0 - Murata

容值

Class II和Class III電容，容值隨溫度、DC偏置以及AC偏置變化范圍較大。特別是用作電源去耦時(shí)，電容都有一定的直流偏置，電容量比標(biāo)稱(chēng)值小很多，所以要注意實(shí)際容值是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

紋波電流

作為DCDC的輸入和輸出電容，都會(huì)有一定的紋波電流，由于ESR的存在會(huì)導(dǎo)致一定的溫升。加上環(huán)境溫度，不能超過(guò)電容的額定溫度，例如X5R電容最高額度溫度是85℃。

通常由于多層陶瓷電容ESR較小，能承受的紋波電流較大。

自諧振頻率

電容由于ESL的存在，都有一個(gè)自諧振頻率。大容量的電容，自諧振頻率較低，只有1-2MHz。所以，為了提高電源的高頻效應(yīng)，大量小容值的去耦電容是必須的。此外，對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率很高的DCDC芯片，要注意輸入輸出電容的自諧振頻率。

ESR

設(shè)計(jì)DCDC電路，需要知道輸出電容的ESR，來(lái)計(jì)算輸出電壓紋波。多層陶瓷電容的ESR通常較低，大約幾到幾十毫歐。

3.5 安規(guī)電容

對(duì)于我們家用的電子設(shè)備，最終都是220V交流市電供電。電源適配器為了減少對(duì)電網(wǎng)的干擾，通過(guò)相關(guān)EMC測(cè)試，都會(huì)加各種濾波電容。下圖為一個(gè)簡(jiǎn)易的電路示意圖：

以抗電強(qiáng)度測(cè)試為例，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，L、N側(cè)為一次電路，需要與PE或GND之間為基本絕緣。因此，需要在L或N對(duì)GND之間加交流1.5kV或者直流2.12kV的耐壓測(cè)試，持續(xù)近1分鐘，期間相關(guān)漏電流不能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。因此，安規(guī)電容，有相當(dāng)高的耐壓要求，同時(shí)直流漏電流不能太大。

此外，常用的RJ45網(wǎng)口，為了減小EMI，常用到Bob-Smith電路，如下圖所示：

因?yàn)?，安?guī)電容有高耐壓要求，通常使用瓷片電容或者小型薄膜電容。

此外，器件選型還要主要兩點(diǎn)要求：和結(jié)構(gòu)確認(rèn)器件的長(zhǎng)寬高；對(duì)插件封裝器件不多時(shí)，是不是可以全部使用表貼器件，這樣可以省掉波峰焊的工序。

結(jié)語(yǔ)

本文大致介紹了幾類(lèi)主要的電容的工藝結(jié)構(gòu)，以及應(yīng)用選型。水平有限，難免疏漏，歡迎指出。同時(shí)僅熟悉信息技術(shù)設(shè)備，對(duì)電力電子、軍工等其他行業(yè)不了解，所以還有一些其他的電容相關(guān)應(yīng)用無(wú)法介紹。