電容

一、電容理論基礎

1、電容的本質

兩個相互靠近的導體，中間夾一層不導電的絕緣介質，這就構成了電容器。當電容器的兩個極板之間加上電壓時，電容器就會儲存電荷。

兩個相互靠近的金屬板中間夾一層絕緣介質組成的器件，當兩端存在電勢差時，由于介質阻礙了電荷移動，電荷就積累在金屬板上。衡量金屬板上存儲電荷的能力成為電容，相應的器件稱為電容器。

2、電容量的大小

2.1、電容量的定義式

電容器的電容量在數值上等于一個導電極板上的電荷量與兩個極板之間的電壓之比。電容器的電容量的基本單位是法拉（F）。在電路圖中通常用字母C表示電容元件。

$$C=\frac{Q}{U}$$

Q：電容器上所帶的電荷量，單位為庫倫（q）

U：電容器兩端的電壓差，單位為伏特（V）

C：電容器存儲電荷的能力，單位為法拉（F）

2.2、電容量的決定式

一個電容器，如果帶1庫倫的電量時兩級間的電勢差是1伏特，這個電容器的電容就是1法拉，即C=Q/U。但電容的大小不是由帶電量或電壓決定的，即電容的決定式為：

$$C=\frac{{\epsilon }_{r}S}{4\pi kd}$$

${\epsilon }_r$：兩極板間介質的介電常數，單位是法每米（F/m）

S：兩極板間的正對面積，單位是平方米（m2）

k：靜電常數，等于$8.987551\times 10^{9}N{\dot{m}}^2/C^2$

d:兩極板間的距離，單位是米（m）

化簡之后：

$$C=8.854\times \frac{{\epsilon }_{r}S}{d}(F)$$

想要增大電容容量，有三種方法：

1. 使用介電常數高的介質

2. 增大極板間的面積

3. 減小極板間的距離

3、電容的特點

電容器的本質就是充放電，在電路中起到隔直流通交流的作用。電容內部是絕緣物質，內部不會導通，通交流時利用了電容可以充放電的特點。從外部看來，感覺電容導通了。

隔直流：只充電，不放電。充滿后無法放電，呈現斷開狀態。

通交流：循環充電與放電。按交流信號頻率循環充放電，呈現導通狀態。

4、電容的串并聯

$$\frac{1}{C_{串}}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}$$

$$C_{串}=\frac{C_1\times C_2}{C_1+C_2}$$

$$C_{并}=C_1+C_2$$

5、電容器的用途

電容器的本質就是儲能，充放電。

濾波電容、旁路電容、耦合電容、退耦電容、自舉電容等。

6、電容實際的電路模型

---------電容（C）-----------等效串聯電阻（ESR）------等效串聯電感（ESL）--------
|–絕緣電阻（R）–|

電容作為基本元器件之一，實際生產的電容都不是理想的，會有寄生電感，等效串聯電阻存在，同時因為電容兩極板間的介質不是絕對絕緣的，因此存在數值較大的絕緣電阻。

二、電容器的選型

1、安裝方式

陶瓷電容，鋁電解電容、鉭電解電容一般選擇貼片的。安規電容一般是插件的。鋁電解電容有時也選擇直插的，為了降低成本。

2、電容值

在電路設計的過程中，需要根據我們的需求來確定容值。如：在每片芯片的供電電源上，我們通常會并聯一個0.1uF的電容。幾個芯片的供電電源上需要并聯一個10uF的電容，作用是保證芯片的可持續供電和濾掉高頻雜波得到平滑的電源。當線路上的電源還沒達到芯片時，可由旁路的0.1uF電容對芯片進行供電，保證芯片的工作。

1. 計算取值：晶體振蕩電路，LC濾波電容等，可以通過計算取值。

2. 手冊取值：設計電路時，參考手冊應用電路，按建議取值。

3. 經驗取值：濾波電容，儲能電容等，一般憑經驗取值，再根據實際測試進行調整。

3、電容的類型

根據電路，合理選擇電容類型。

• 按容值：一般小于10uF的，優先選擇陶瓷電容。小于幾百uF的，可以選擇鋁電解電容與鉭電容。大于幾百uF的，一般選擇鋁電解電容。

• 按環境溫度：高溫環境，一般選擇陶瓷電容與鉭電容，因為鋁電解電容里面含有電解液，高溫環境對其壽命影響較大。低溫環境都可以選擇。

4、耐壓、封裝

根據電路，確定電容耐壓值，再選擇封裝。**封裝越大，耐壓越大。**耐壓方面，陶瓷電容較好，鉭電解電容較差（要求耐壓為承受電壓的兩倍）。

例如：給5V電源濾波，可以選用10uF/6.3V的陶瓷電容。可以再加上100uF/6.3V的鋁電解電容或47uF/10V的鉭電解電容。

常見的陶瓷電容封裝：0402、0603、0805、1206等。

常用的貼片鋁電解電容封裝（直徑 * 高度）：55.5、6.37.7等。

常用的鉭電解電容封裝：A型、B型、C型、D型、E型等。

5、阻抗-頻率特性

---------電容（C）-----------等效串聯電阻（ESR）------等效串聯電感（ESL）--------
|–絕緣電阻（R）–|

6、頻率特性

村田普通電容諧振頻率

型號參數	容值	諧振頻率
50V_CH_0603	10pF	1.9GHz
50V_C0G_0603	100pF	700MHz
50V_X7R_0603	1nF	210MHz
50V_X7R_0603	10nF	70MHz
16V_X7R_0603	100nF	25MHz
16V_X7R_0603	1uF	9MHz
16V_X5R_0603	10uF	2MHz
6.3V_X5R_0805	47uF	850kHz

7、等效串聯電阻ESR

村田普通電容ESR

參數型號	容量	最小ESR值
50V_CH_0603	10pF	200mΩ
50V_C0G_0603	100pF	130mΩ
50V_X7R_0603	1nF	380mΩ
50V_X7R_0603	10nF	60mΩ
16V_X7R_0603	100nF	20mΩ
16V_X7R_0603	1uF	8mΩ
16V_X5R_0603	10uF	3mΩ
6.3V_X5R_0805	47uF	1.8mΩ

電容數據手冊上會有阻抗與頻率的關系圖。阻抗會在諧振頻率處得到最小值。容值越大，諧振頻率越小。

8、電容器的溫度特性

不同類型的電容的工作溫度范圍是不同的、并且其容值隨溫度的變化也不同，相差非常大，如下表：

溫度特性對照表

電容型號	工作溫度范圍	容值隨溫度變化值
C0G(NP0)	-55~125℃	0±30ppm/℃
X7R	-55~125℃	±15%
X6S	-55~105℃	±22%
X5R	-55~85℃	±15%
Y5U	-30~85℃	+22%/-56%
Y5V	-30~85℃	+22%/-82%
Z5U	10~85℃	+22%/-56%
Z5V	10~85℃	+22%/-82%

三、陶瓷電容器

1、陶瓷電容的結構

MLCC是片式多層陶瓷電容器的英文縮寫。它是由印好電極（內電極）的陶瓷介質膜片以錯位的方式疊合起來，經過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極），從而形成一個類似獨石的結構體，故也叫獨石電容器。

2、陶瓷電容器的容量

常用陶瓷電容容量范圍：0.5pF~100uF

pF級：0.5pF、1pF、2pF、3pF、4pF、5pF、6pF、7pF、8pF、9pF、10pF、11pF、12pF、13pF、15pF、16pF、17pF、18pF、19pF、20pF、21pF、22pF、23pF、24pF、27pF、30pF、33pF、36pF、39pF、43pF、47pF、51pF、56pF、62pF、68pF、75pF、82pF、91pF、100pF、120pF、150pF、180pF、220pF、270pF、330pF、390pF、470pF、560pF、680pF、820pF、910pF

nF級：1nF、1.2nF、1.5nF、1.8nF、2.2nF、2.7nF、3.3nF、3.9nF、4.7nF、5.6nF、6.8nF、8.2nF、10nF、12nF、15nF、18nF、22nF、27nF、33nF、39nF、47nF、56nF、68nF、82nF、100nF、120nF、220nF、330nF、470nF、680nF

uF級：1uF、2.2uF、4.7uF、10uF、22uF、47uF、100uF

3、陶瓷電容的耐壓值

陶瓷電容常見的額定電壓有：2.5V、4V、6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、450V、500V、630V、1kV、1.5kV、2kV、2.5kV、3kV等。

額定電壓值與電容的兩極板間的距離有關系，額定電壓越大，一般距離就越大，否則介質會被擊穿。因此，同等容量的電容，耐壓值越高，一般封裝會越大。

4、陶瓷電容器的類型

同介質種類的電容器，由于極化類型不同，其對電場變化的響應速度和極化率也不一樣。在相同的封裝下的容量就不同，隨之帶來的電容器的介質損耗、容量穩定性等也就不同。

介質材料按容量的溫度穩定性可以分為兩類：I類陶瓷電容器和II類陶瓷電容器。NP0屬于I類陶瓷電容器，X7R、X5R、Y5V、Z5U等都屬于II類陶瓷電容器。

類型	高介電常數型（II類）	溫度補償型（I類）
型號	X7R、X5R、Y5V、Z5U	CH、C0G（NP0）
主要原料	強介電材料鈦酸鋇	一般介電材料氧化鈦（TiO2）；鋯酸鈣（CaZrO3）
介電常數	1000~20000	20~300左右
容量	容量大	容量較小
特征	相對介電常數會隨著溫度、電壓的變化而變化，導致容量也會發生變化。靜電容量會隨時間變化	相對介電常數不會隨著溫度、電壓的變化而變化，容量基本穩定。即使處于高溫、高電力、高頻率的環境中$tan\delta$（電容損耗）也很小，穩定性極佳。具有較高的Q值（1000~8000）

四、鋁電解電容

1、鋁電解電容的優缺點

優點：電容容量大，耐壓好，價格便宜。

缺點：ESR大，耐溫差。

2、鋁電解電容的結構

為什么鋁電解電容存在正負極，不能反接？

為什么耐壓越高，封裝越大？

鋁箔是鋁電解電容器的主要材料。將鋁箔設置為陽極，在電解液中通電后，鋁箔的表面會形成氧化膜（Al2O3），次氧化膜的功能為電介質。

氧化膜的特性：厚度與耐壓成正比。介電常數為8~10。絕緣電阻與耐壓成正比。正向電壓（相當于二極管導體）會導致氧化鋁被破壞。

3、鋁電解電容器的損耗角

$$tan\delta =\frac{R}{\frac{1}{\omega C}}=\omega CR$$

C：電容量

R：電容的等效串聯電阻，ESR

$\delta$：角頻率

4、鋁電解電容器的漏電流

漏電流是鋁電解電容器的特性之一。當對其施加直流電壓時，電解質氧化層允許很小的電流通過，這一部分電流稱為漏電流。理想的電容器是不會產生漏電流的情況。實際上漏電流無法避免，且會一直存在，即使鋁電解電容兩端電壓保持不變。漏電流會隨時間而變化。如圖所示，漏電流會隨時間逐漸減小，最后趨近于一個穩定值。因此，漏電流的標稱值為20℃下施加額定電壓一段時間之后所測量的值。

當溫度升高時，漏電流增加；溫度降低，漏電流減少。施加的電壓降低，漏電流也會減少。

五、鉭電解電容

1、安規電容器的定義

安規電容器是指失效后不會導致電擊、不會危及人身安全的電容器。

X電容：跨接在零線和火線之間的電容，如上圖，主要用于差模濾波。

Y電容：零線與地之間的電容，火線與地之間的電容，如上圖，主要用于共模濾波。

任何兩根電源線或通信線上所存在的干擾，均可用共模干擾和差模干擾來表示。

共模干擾在導線與地（機殼）之間傳輸，屬于非對稱性干擾。它定義為任何載流導體與參考地之間的不希望有的電位差。

差模干擾在兩導線之間傳輸，屬于對稱性干擾。它定義為任何兩個載流導體之間的不希望有的電位差。

在一般情況下，共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導線產生輻射，所造成的干擾較大。差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較小。