電容中那些獨(dú)有的特性與功能

來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

一、電容的作用

作為無(wú)源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：

應(yīng)用于電源電路，實(shí)現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲(chǔ)能的作用。下面分類詳述之：

1）旁路

旁路電容是為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過(guò)大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過(guò)大電流毛刺時(shí)的電壓降。

2）去藕

去藕，又稱解藕。從電路來(lái)說(shuō)，總是可以區(qū)分為驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大，驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電，才能完成信號(hào)的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候，電流比較大，這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會(huì)產(chǎn)生反彈），這種電流相對(duì)于正常情況來(lái)說(shuō)實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì)影響前級(jí)的正常工作，這就是所謂的“耦合”。

去藕電容就是起到一個(gè)“電池”的作用，滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來(lái)將更容易理解。

旁路電容實(shí)際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開(kāi)關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般取 0.1μF、0.01μF 等；而去耦合電容的容量一般較大，可能是 10μF 或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。

旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象，而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。

3）濾波

從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說(shuō)，電容越大，阻抗越小，通過(guò)的頻率也越高。但實(shí)際上超過(guò) 1μF 的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻 率高后反而阻抗會(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過(guò)，電容越小高頻越容易通過(guò)。具體用在濾波中，大電容（1000μF）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。

曾有網(wǎng)友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會(huì)突變，由此可知，信號(hào)頻率越高則衰減越大，可很形象的說(shuō)電容像個(gè)水塘，不會(huì)因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電，放電的過(guò)程。

4）儲(chǔ)能

儲(chǔ)能型電容器通過(guò)整流器收集電荷，并將存儲(chǔ)的能量通過(guò)變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為 40～450VDC、電容值在 220～150 000μF 之間的鋁電解電容器是較為常用的。根不同的電源要求，器件有時(shí)會(huì)采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式，對(duì)于功率級(jí)超過(guò) 10KW 的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

應(yīng)用于信號(hào)電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數(shù)的作用：

1）耦合

舉個(gè)例子來(lái)講，晶體管放大器發(fā)射極有一個(gè)自給偏壓電阻，它同時(shí)又使信號(hào) 產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號(hào)耦合，這個(gè)電阻就是產(chǎn)生了耦合的元件，如果在這個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容，由于適當(dāng)容量的電容器對(duì)交流信號(hào) 較小的阻抗，這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，故稱此電容為去耦電容。

2）振蕩/同步

包括 RC、LC 振蕩器及晶體的負(fù)載電容都屬于這一范疇。

3）時(shí)間常數(shù)

這就是常見(jiàn)的 R、C 串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號(hào)電壓加在輸入端時(shí)，電容（C）上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過(guò)電阻（R）、電容（C）的特性通過(guò)下面的公式描述：

i = (V / R)e- (t / CR)

二、電容的選擇

通常，應(yīng)該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢？筆者認(rèn)為，應(yīng)基于以下幾點(diǎn)考慮：

1）靜電容量；

2）額定耐壓；

3）容值誤差；

4）直流偏壓下的電容變化量；

5）噪聲等級(jí)；

6）電容的類型；

7）電容的規(guī)格。

那么，是否有捷徑可尋呢？其實(shí)，電容作為器件的外圍元件，幾乎每個(gè)器件的 Datasheet 或者 Solutions，都比較明確地指明了外圍元件的選擇參數(shù)，也就是說(shuō)，據(jù)此可以獲得基本的器件選擇要求，然后再進(jìn)一步完善細(xì)化之。

其實(shí)選用電容時(shí)不僅僅是只看容量和封裝，具體要看產(chǎn)品所使用環(huán)境，特殊的電路必須用特殊的電容。

下面是 chip capacitor 根據(jù)電介質(zhì)的介電常數(shù)分類，介電常數(shù)直接影響電路的穩(wěn)定性。

NP0 or CH （K < 150）：電氣性能最穩(wěn)定，基本上不隨溫度﹑電壓與時(shí)間的改變而改變，適用于對(duì)穩(wěn)定性要求高的高頻電路。鑒于 K 值較小，所以在 0402、0603、0805 封裝下很難有大容量的電容。如 0603 一般最大的 10nF 以下。

X7R or YB （2000 < K < 4000）：電氣性能較穩(wěn)定，在溫度、電壓與時(shí)間改變時(shí)性能的變化并不顯著（?C < ±10%）。適用于隔直、偶合、旁路與對(duì)容量穩(wěn)定性要求不太高的全頻鑒電路。

Y5V or YF（K > 15000）：容量穩(wěn)定性較 X7R 差（?C < +20% ～ -8 0%），容量損耗對(duì)溫度、電壓等測(cè)試條件較敏感，但由于其 K 值較大，所以適用于一些容值要求較高的場(chǎng)合。

三、電容的分類

電容的分類方式及種類很多，基于電容的材料特性，其可分為以下幾大類：

1）鋁電解電容

電容容量范圍為 0.1μF ～ 22000μF，高脈動(dòng)電流、長(zhǎng)壽命、大容量的不二之選，廣泛應(yīng)用于電源濾波、解藕等場(chǎng)合。

2）薄膜電容

電容容量范圍為 0.1pF ～ 10μF，具有較小公差、較高容量穩(wěn)定性及極低的壓電效應(yīng)，因此是 X、Y 安全電容、EMI/EMC 的首選。

3）鉭電容

電容容量范圍為 2.2μF ～ 560μF，低等效串聯(lián)電阻（ESR）、低等效串聯(lián)電感（ESL）。脈動(dòng)吸收、瞬態(tài)響應(yīng)及噪聲抑制都優(yōu)于鋁電解電容，是高穩(wěn)定電源的理想選擇。

4）陶瓷電容

電容容量范圍為 0.5pF ～ 100μF，獨(dú)特的材料和薄膜技術(shù)的結(jié)晶，迎合了當(dāng)今“更輕、更薄、更節(jié)能“的設(shè)計(jì)理念。

5）超級(jí)電容

電容容量范圍為 0.022F ～ 70F，極高的容值，因此又稱做“金電容”或者“法拉電容”。主要特點(diǎn)是：超高容值、良好的充/放電特性，適合于電能存儲(chǔ)和電源備份。缺點(diǎn)是耐壓較低，工作溫度范圍較窄。

四、多層陶瓷電容

對(duì)于電容而言，小型化和高容量是永恒不變的發(fā)展趨勢(shì)。其中，要數(shù)多層陶瓷電容（MLCC）的發(fā)展最快。

多層陶瓷電容在便攜產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用極為廣泛，但近年來(lái)數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步對(duì)其提出了新要求。例如，手機(jī)要求更高的傳輸速率和更高的性能；基帶處理 器要求高速度、低電壓；LCD 模塊要求低厚度（0.5mm）、大容量電容。而汽車環(huán)境的苛刻性對(duì)多層陶瓷電容更有特殊的要求：首先是耐高溫，放置于其中的多層陶瓷電容必須能滿足 150℃ 的工作溫度；其次是在電池電路上需要短路失 效保護(hù)設(shè)計(jì)。

也就是說(shuō)，小型化、高速度和高性能、耐高溫條件、高可靠性已成為陶瓷電容的關(guān)鍵特性。

陶瓷電容的容量隨直流偏置電壓的變化而變化。直流偏置電壓降低了介電常數(shù)，因此需要從材料方面，降低介電常數(shù)對(duì)電壓的依賴，優(yōu)化直流偏置電壓特性。

應(yīng)用中較為常見(jiàn)的是 X7R（X5R）類多層陶瓷電容， 它的容量主要集中在1000pF以上，該類電容器主要性能指標(biāo)是等效串聯(lián)電阻（ESR），在高波紋電流的電源去耦、濾波及低頻信號(hào)耦合電路的低功耗表現(xiàn)比較突出。

另一類多層陶瓷電容是C0G類，它的容量多在 1000pF 以下，該類電容器主要性能指標(biāo)是損耗角正切值 tgδ(DF)。傳統(tǒng)的貴金屬電極（NME）的 C0G 產(chǎn)品 DF 值范圍是（2.0 ～ 8.0）× 10-4，而技術(shù)創(chuàng)新型賤金屬電極（BME）的C0G產(chǎn)品DF值范圍為 (1.0 ～ 2.5)×10-4，約是前者的31 ～ 50%。該類產(chǎn)品在載有T/R模塊電路的GSM、CDMA、無(wú)繩電話、藍(lán)牙、GPS系統(tǒng)中低功耗特性較為顯著。較多用于各種高頻電路，如振蕩/同步器、定時(shí)器電路等。

五、鉭電容替代電解電容的誤區(qū)

通常的看法是鉭電容性能比鋁電容好，因?yàn)殂g電容的介質(zhì)為陽(yáng)極氧化后生成的五氧化二鉭，它的介電能力（通常用 ε 表示）比鋁電容的三氧化二鋁介質(zhì)要高。因此在同樣容量的情況下，鉭電容的體積能比鋁電容做得更小。（電解電容的電容量取決于介質(zhì)的介電能力和體積，在容量一定的情況下，介電能力越高，體積就可以做得越小，反之，體積就需要做得越大）再加上鉭的性質(zhì)比較穩(wěn)定，所以通常認(rèn)為鉭電容性能比鋁電容好。

但這種憑陽(yáng)極判斷電容性能的方法已經(jīng)過(guò)時(shí)了，目前決定電解電容性能的關(guān)鍵并不在于陽(yáng)極，而在于電解質(zhì)，也就是陰極。因?yàn)椴煌年帢O和不同的陽(yáng)極可以組合成不同種類的電解電容，其性能也大不相同。采用同一種陽(yáng)極的電容由于電解質(zhì)的不同，性能可以差距很大，總之陽(yáng)極對(duì)于電容性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陰極。

還有一種看法是認(rèn)為鉭電容比鋁電容性能好，主要是由于鉭加上二氧化錳陰極助威后才有明顯好于鋁電解液電容的表現(xiàn)。如果把鋁電解液電容的陰極更換為二氧化錳， 那么它的性能其實(shí)也能提升不少。

可以肯定，ESR 是衡量一個(gè)電容特性的主要參數(shù)之一。但是，選擇電容，應(yīng)避免 ESR 越低越好，品質(zhì)越高越好等誤區(qū)。衡量一個(gè)產(chǎn)品，一定要全方位、多角度的去考慮，切不可把電容的作用有意無(wú)意的夸大。

---以上引用了部分網(wǎng)友的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

普通電解電容的結(jié)構(gòu)是陽(yáng)極和陰極和電解質(zhì)，陽(yáng)極是鈍化鋁，陰極是純鋁，所以關(guān)鍵是在陽(yáng)極和電解質(zhì)。陽(yáng)極的好壞關(guān)系著耐壓電介系數(shù)等問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，鉭電解電容的 ESR 要比同等容量同等耐壓的鋁電解電容小很多，高頻性能更好。如果那個(gè)電容是用在濾波器電路（比如中心為 50Hz 的帶通濾波器）的話，要注意容量變化后對(duì)濾波器性能（通帶...）的影響。

六、旁路電容的應(yīng)用問(wèn)題

嵌入式設(shè)計(jì)中，要求 MCU 從耗電量很大的處理密集型工作模式進(jìn)入耗電量很少的空閑/休眠模式。這些轉(zhuǎn)換很容易引起線路損耗的急劇增加，增加的速率很高，達(dá)到 20A/ms 甚至更快。

通常采用旁路電容來(lái)解決穩(wěn)壓器無(wú)法適應(yīng)系統(tǒng)中高速器件引起的負(fù)載變化，以確保電源輸出的穩(wěn)定性及良好的瞬態(tài)響應(yīng)。旁路電容是為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過(guò)大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過(guò)大電流毛刺時(shí)的電壓降。

應(yīng)該明白，大容量和小容量的旁路電容都可能是必需的，有的甚至是多個(gè)陶瓷電容和鉭電容。這樣的組合能夠解決上述負(fù)載電流或許為階梯變化所帶來(lái)的問(wèn)題，而且還能提供足夠的去耦以抑制電壓和電流毛刺。在負(fù)載變化非常劇烈的情況下，則需要三個(gè)或更多不同容量的電容，以保證在穩(wěn)壓器穩(wěn)壓前提供足夠的電流?？焖俚乃矐B(tài)過(guò)程由高頻小容量電容來(lái)抑制，中速的瞬態(tài)過(guò)程由低頻大容量來(lái)抑制，剩下則交給穩(wěn)壓器完成了。

還應(yīng)記住一點(diǎn)，穩(wěn)壓器也要求電容盡量靠近電壓輸出端。

七、電容的等效串聯(lián)電阻 ESR

普遍的觀點(diǎn)是：一個(gè)等效串聯(lián)電阻（ESR）很小的相對(duì)較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時(shí)的峰值（紋波）電流。但是，有時(shí)這樣的選擇容易引起穩(wěn)壓器（特別是線性穩(wěn)壓器 LDO）的不穩(wěn)定，所以必須合理選擇小容量和大容量電容的容值。永遠(yuǎn)記住，穩(wěn)壓器就是一個(gè)放大器，放大器可能出現(xiàn)的各種情況 它都會(huì)出現(xiàn)。

由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，輸出去耦電容在負(fù)載階躍的初始階段起主導(dǎo)的作用，因此需要額外大容量的電容來(lái)減緩相對(duì)于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的快速轉(zhuǎn)換，同時(shí)用高頻電容減緩相對(duì)于大電容的快速變換。通常，大容量電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)該選擇為合適的值，以便使輸出電壓的峰值和毛刺在器件的 Dasheet 規(guī)定之內(nèi)。

高頻轉(zhuǎn)換中，小容量電容在 0.01μF 到 0.1μF 量級(jí)就能很好滿足要求。表貼陶瓷電容或者多層陶瓷電容（MLCC）具有更小的 ESR。另外，在這些容值下，它們的體積和 BOM 成本都比較合理。如果局部低頻去耦不充分，則從低頻向高頻轉(zhuǎn)換時(shí)將引起輸入電壓降低。電壓下降過(guò)程可能持續(xù)數(shù)毫秒，時(shí)間長(zhǎng)短主要取決于穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)增益和提供較大負(fù)載電流的時(shí)間。

用 ESR 大的電容并聯(lián)比用 ESR 恰好那么低的單個(gè)電容當(dāng)然更具成本效益。然而，這需要你在 PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。

八、電解電容的電參數(shù)

這里的電解電容器主要指鋁電解電容器，其基本的電參數(shù)包括下列五點(diǎn)：

1）電容值

電解電容器的容值，取決于在交流電壓下工作時(shí)所呈現(xiàn)的阻抗。因此容值，也就是交流電容值，隨著工作頻率、電壓以及測(cè)量方法的變化而變化。在標(biāo)準(zhǔn) JISC 5102 規(guī)定：鋁電解電容的電容量的測(cè)量條件是在頻率為 120Hz，最大交流電壓為 0.5Vrms，DC bias 電壓為 1.5 ～ 2.0V 的條件下進(jìn)行。可以斷言，鋁電解電容器的容量隨頻率的增加而減小。

2）損耗角正切值 Tan δ

在電容器的等效電路中，串聯(lián)等效電阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比稱之為 Tan δ， 這里的 ESR 是在 120Hz 下計(jì)算獲得的值。顯然，Tan δ 隨著測(cè)量頻率的增加而變大，隨測(cè)量溫度的下降而增大。

3）阻抗 Z

在特定的頻率下，阻礙交流電流通過(guò)的電阻即為所謂的阻抗（Z）。它與電容等效電路中的電容值、電感值密切相關(guān)，且與 ESR 也有關(guān)系。

Z = √ [ESR2+ (XL - XC)2]

式中，XC= 1 / ωC = 1 / 2πfC

XL = ωL = 2πfL

電容的容抗（XC）在低頻率范圍內(nèi)隨著頻率的增加逐步減小，頻率繼續(xù)增加達(dá)到中頻范圍時(shí)電抗（XL）降至 ESR 的值。當(dāng)頻率達(dá)到高頻范圍時(shí)感抗（XL）變?yōu)橹鲗?dǎo)，所以阻抗是隨著頻率的增加而增加。

4）漏電流

電容器的介質(zhì)對(duì)直流電流具有很大的阻礙作用。然而，由于鋁氧化膜介質(zhì)上浸有電解液，在施加電壓時(shí)，重新形成的以及修復(fù)氧化膜的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一種很小的稱之為漏電流的電流。通常，漏電流會(huì)隨著溫度和電壓的升高而增大。

審核編輯黃昊宇