電容Q值、損耗角、應用

電容發熱的主要原因：紋波電壓

當電容兩端施加紋波電壓時，電容承受的是變化的電壓，由于電容內部存在寄生電阻（ESR）和寄生電感（ESL）.因此電容會有能量損耗，從而產生熱量，這一過程就是電容的自發熱過程。電容的自發熱大小與紋波電壓的頻率有關。

電容的等效阻抗Z在諧振頻率處最小，諧振頻率點之前電容呈容性，諧頻率點之后電容呈感性，即在頻率很高，超過電容的諧振頻率時，電容就不再是“電容”了，此時的能量損耗主要由電容的ESL引起。所以.低ESR.低ESL的電容在高頻時發熱少

紋波電壓造成的發熱量是DC漏電流造成的發熱量的1000倍，所以，正常情況下DC漏電流造成的發熱可以忽略不計

電容的Q值與損耗角

Q值即品質因數，表征儲能器件（電容、電感等）或儲能電路（諧電路等）在一個周期內所存儲的能量與所消耗的能量的比值，是一種質量指標，器件或電路的Q值越大，則該器件或電路的性能越優，Q值可以采用如下方法來表示，即Q=無功功率/有功功率，也可以采用如下方法來表示，即Q特性阻抗/回路電阻，Q值越大，損耗越小，效率越高：Q值越大，諧振器的頻率穩定度越高，諧振器的振蕩頻率越高。

Q值和ESR有什么關系？

我們經常用Q值或ESR來評估高頻電容的性能。完美的電容應該表現為ESR為0歐姆，純容抗性的無源元件，任何頻率的電流通過電容時都會比電壓早90°的相位。但實際電容其ESR值是隨著頻率變化而變化的。下面分析典型電容的不理想模型

C為電容，Rp為絕緣電阻和介質損耗，ESR為等效串聯電阻.ESL為等效串聯電感。電容的導電電極的結構特性和絕緣介質的結構特性決定了其ESR，為了便于分析，把ESR按單個串聯寄生單元來建模，以前所有的電容參數都是在1MHz的標準頻事下進行測試，但隨著應用頻率越來越高，1MH的條件已遠遠無法滿足實際應用的需求，為了指導應用，典型的高頻電容參數應該標注各個典型顆率下的ESR值：200MHz，ESR=0.04Ohm；900MHz，ESR=0.10Ohm；2000MHz，ESR=0.13Ohm。電容的Q值是一個無量綱數，數值上等于電容的電抗除以ESR，由于電容的電抗和ESR都隨頻率變化.因此其Q值也隨頻率變化

Q值等于電容的儲存功率與損耗功率之比，可用式（2.38.1）和式（2.38.2）來表示，即

$Q_{C}=X_{C}/R_{C}=\frac{1/\omega C}{ESR}$

為了便于解釋Q值對高頻電容的重要性，下面先講述一個概念：自諧振頻率

在RLC串聯電路中，當虛部等于0時，阻抗最小，發生串聯諧振。

$Z(j\omega )=R+j(\omega L-\frac{1}{\omega C})$

RLC串聯，通過的電流是一樣的，只是L和C上的電壓相等，方向剛好相反，相互抵消。

$\dot{U_{L}}=j\omega _{0}L\dot{I}=j\frac{\omega_{0} L}{R}\dot{U}=jQ\dot{U}$

$\dot{U_{L}}=-j\frac{\dot{I}}{\omega_{0}C}=-j\frac{\dot{U}}{\omega _{0}CR}=-jQ\dot{U}$

Q稱為品質因數，在諧振時LC串聯之路對外相當于短路，但當Q值很大時，會在電感和電容兩端出現大大高于外施電壓U的高電壓。

如果忽略電極間的泄露，即Rp的阻抗無窮大（或遠遠大于ESL和ESR的阻抗），那可以等效為RCL串聯三元模型。

小于自諧振頻率時，電容呈電容特性；大于自諧振頻率時，電容發生極性轉化，呈現電感特性。相位從-90°跳變到+90°。

什么是電容的損耗角？損耗角與Q值有什么關系？

在電場力作用下，電容在單位時間內消耗的能量稱為電容損耗，用有功功率表示。僅用有功功率并不能表征電容損耗特性方面的性能，還需考慮用所消耗的有功功率與它輸送的無功功率的比值來表征電容的損耗特性，這一參數稱為損耗角正切，根據損耗因數D的定義（D=1/Q）可知，D值是Q的倒數。D值又稱為損耗角，其大小與電容的內阻有關。由于電解電容的內阻較大，因此D值較大，為0.24以下，塑料薄膜電容則D值較小，D值的大小由電容的材質決定，為0.01以下，陶瓷電容的D值大小由其材質決定，Ⅰ類和類MLCC為0.025以下：Ⅰ類MLCC的D值很小，所以用D值的倒數Q值來表示，Q值大于400

39電容有哪些作用？

電容特性：通交流，阻直流：通高頻，阻低頻

一個電容使用的誤區，即電容的容值越大濾波效果越好。其實并不是這樣的，簡單地說，就是大容值電容濾低頻噪聲，小容值電容濾高頻噪聲。

電容的工作過程，實質上就是充電和放電的過程。以電容不存儲任何電量為初始狀態，大容值電容在電路中要達到電壓平衡，需要充入的電荷量越多，需要充電的時間就越長，只能對低頻噪聲有效濾波，無法滿足高頻噪聲的濾波要求，達不到濾波的目的，這時就要采用小容值電容。小容值電容的充放電時間短，能夠達到濾波的目的，總之，濾波的頻率隨電容值的增大而降低。所以，在使用時要根據電路的需要選取合適的容值，以達到想要的濾波目的，同時又減少成本在電路中最常見到的電容使用方法是去耦電容和旁路電容，作為無源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：

$Z(j\omega )=R+j(\omega L-\frac{1}{\omega C})$

從理論上來說（假設電容為純電容），電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高，但實際上電容都有電感成分，所以阻抗會隨著頻率的升高面增大，比如電解電容有很大的電感成分，所以有時會看到，一個電容量較大的電解電容并聯了一個小電容

電容的應用

電容應用于電源電路，主要起到濾波，旁路，去耦和儲能的作用

1.濾波：這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容越大低頻越容易通過，電容越小高頻越容易通過；2.旁路：消除外部干擾對自身的影響。3.去耦：消除自身對外部的干擾；4.儲能：電容對電路進行充放電

電容應用于信號電路，主要起到耦合，振蕩/同步及時間常數的作用

（1）耦合。例如，晶體管放大器發射極有一個自給偏壓電阻，它同時又使信號產生壓降反饋到輸入端，形成了輸入/輸出信號耦合，該電阻就是產生了耦合的元件。如果在該電阻兩端并聯一個電容。

（2）振蕩/同步，RC、LC蕩器及晶體的負載電容都屬于振蕩/同步的范疇

（3）時間常數，在RC充放電電路中，電阻R和電容C的乘積就是時間常數。i與RC的關系

$i=\frac{V}{R}e^{-\frac{t}{RC}}$

射頻電路的耦合和去耦電路中要考慮好Q值問題。

電容的寄生參數如何影響電路

設計普通電路時，通常關注的是電容的容值，耐壓值，封裝大小，工作溫度范圍，溫漂等參數。高速電路或電源系統中及一些對電容要求很高的時鐘電路中，電容已經不僅僅是電容，面是一個由等效電容，等效電阻和等效電感組成的電路，其簡單的結構如圖所示

C為所需電容.Cp為等效并聯電容，ESR為等效串聯電阻.ESL為等效串聯電惑，

不僅要關注前面提到的那些參數，還要關注在特定頻率下的等效參數。以muRata的1uF的電容在諧振頻率點時，對應的等效電容為602.625nF，等效電阻為11.5356毫歐，等效電感為471.621pH。理想電容和實際電容會呈現出不同的性能。

在工程實踐中，很多工程師看到參考板設計或其他工程師設計的電路板中有很多電容.就認為自已的產品照搬他們的設計就一定不會出問題。其實并不是如此，因為產品應用不同，結構也有可能不同.這就可能使得產品設計的PCB層疊不同，通流平面也不同，而這些都會引起電源系統的不一致在電源系統設計中，通常都會有很多類型的電容存在，如一個電源系統中會有100uF、47uF、22uF、10uF、1uF、0.1μF等類型的電容，這么多類型的電容是否可以統一為某一種類型的電容呢？

電路中使用相同類型的電容，則雖然阻抗更小，但是去耦頻率范圍乎沒有變化：如果使用不同類型的電容，則可以增大去耦頻率范圍。