電容的基本性質(zhì)、種類和功能分析

電容知識：性質(zhì)、分類、作用詳解

電容基本性質(zhì)

電容電路符號如下圖所示，

并具有如下性質(zhì)，

上式的意義是，在一個具有C法拉的電容兩端跨接V伏大的電壓時，該電容的一個極板上就有Q庫侖的電荷存儲，而在另一個極板上也有Q庫侖的電荷存儲。

取上面電容定義式的導數(shù)，可以得到，

由上式可知，流過電容的電流并不與電壓成比例，而是與電壓關(guān)于時間的變化率成比例。

如果按1V/s的速率改變加在1F電容兩端的電壓，就相當于要供給其1A的電流。相反地，如果提供1A的電流，那么電容的電壓按1V/s變化。由此看來，1F的電容是非常大的。

電容的并聯(lián)與串聯(lián)
幾個電容的并聯(lián)值是這些單個電容值之和。這點很容易證明，
令并聯(lián)兩端的電壓為V，則有

即有

對于電容串聯(lián)，求其總等效電容值的關(guān)系式，

RC電路，隨時間變化的V與I

RC電路如下圖

根據(jù)上述電容公式，得到，

以上得到的是一個微分方程，它的解是，

因此，一個已充電的電容與電阻并聯(lián)之后將放電，放電曲線如下圖，

時間常數(shù)

上式中的RC乘積稱為電路的時間常數(shù)，如果R的單位是歐姆，C的單位為法拉，那么RC乘積的單位為秒。

下圖顯示了一個稍微不同的電路

在t=0時刻，電路接上電源。然后，關(guān)于這個電路的方程是，

它的解是

上式中的常數(shù)A是由初始條件t=0處V=0來確定的，就是開關(guān)沒閉合前電容兩端的電壓V，代入上式中，因此A=Vi，便有，

充電曲線如下圖，

衰減至平衡狀態(tài)

最終當t>>5RC，V升至Vi(常用 5RC經(jīng)驗準則， 在5倍的時間常數(shù)內(nèi)，一個電容充電或放電至最終值的1%范圍內(nèi))。

對于任意的Vi(t):

電容的分類

電容的種類有很多，但電路設計中常用的電容主要有陶瓷電容，Ceramic capacitor、鉭電容，Tantalum和鋁電解電容，Aluminum Eletrolytic Capacitor。

陶瓷電容及其應用要點

平常見的最多的陶瓷電容是MLCC，Multilayers ceramic capacitor電容，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，

優(yōu)勢是體積小、價格低、穩(wěn)定性好，但容量小。目前常用的陶瓷電容，其容值小的可以到幾十皮法，大的可以到幾十微法。

陶瓷電容分為I類瓷介電容和II類瓷介電容：

I類:C0G、NP0(數(shù)字，但一般習慣寫出NPO。特點是容量穩(wěn)定性好，基本不隨溫度、電壓、時間的變化而變化，但容量一般較小，溫度特性，55℃ ~125℃ 。

II類: X7R、X5R、X7S、Y5V 等。容量穩(wěn)定性較差，但容量相對較大。

符號的含義如下表，

NPO 是溫度補償型陶瓷電容，是電容量最穩(wěn)定的一種陶瓷電容。工作溫度范圍為55℃~+125℃，可以認為在這個范圍內(nèi)，電容量基本保持不變。

X7R 表示工作溫度范圍為55℃~+125℃，溫度穩(wěn)定性為+/15%的陶瓷電容。

X5R 表示工作溫度范圍為55℃~+85℃，溫度穩(wěn)定性為+/15%的陶瓷電容。

有效容值

對于X7R /X5R和Y5V這三種類型的陶瓷電容，標稱電容值都是在環(huán)境溫度25℃/工作電壓等于0V時得到的值。

如果環(huán)境溫度和工作電壓發(fā)生變化，則有效容值將會發(fā)生變化。

例如額定電壓10V/標稱值22uF的Y5V電容，理想狀態(tài)，即工作電壓0V，環(huán)境溫度25℃下，有效值為標稱值，22uF。

如果保持其環(huán)境溫度為25℃不變，僅改變工作電壓，當工作電壓為5V時，有效電容值為4.4uF,當工作電壓達到額定電壓10V時，有效電容值僅為2.2uF。不同材質(zhì)的電容隨直流偏置電壓變化曲線也不一樣。

鉭電容及其應用要點

鉭電容使用金屬鉭作為介質(zhì)，基于鉭的固態(tài)特質(zhì)，具有溫度特性好、ESL值小、高頻濾波性能好、體積小、節(jié)省PCB面積、容值較大等特點。因此，鉭電容一般被應用在需要較大容量電容濾波的場合。

缺點是耐電壓和耐電流的能力較弱，一般要求鉭電容的工作電壓相對額定電壓降額50%以上。

遇到以下三種場合之一，鉭電容的額定電壓需要降額70%以上使用，1負載呈現(xiàn)較強感性，2串聯(lián)電阻小，3瞬變電流較大；

其原因在于，感性負載或者較小的串聯(lián)電阻會導致較大的瞬變電流，造成鉭電容的金屬鉭介質(zhì)被擊穿。如，老化測試、系統(tǒng)開機上電瞬間、單板熱拔插瞬間，鉭電容失效概率增大。

一般而言，容值越大的鉭電容，其ESR值往往越小，ESR相當于電容器件的串聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻越小越容易造成鉭電容失效。因此在應用中需要注意，對于大容量的鉭電容，更需要電壓降額。

從成本上來說，鉭電容的價格正比于容值和額定電壓的乘積。在使用大容量的鉭電容時，還需要增加電壓降額的比例，這勢必造成成本的上升。

因而在設計中，往往將若干小容值的鉭電容并聯(lián)以提供和大容量鉭電容相同的容量。這樣做既有利于設計的可靠性，也有利于成本的降低。

需要注意，工作瞬間電流較大的場合，鉭電容并不一定會發(fā)生永久失效。鉭電容本身有較好的自愈能力，只要外界環(huán)境的影響在一定范圍之內(nèi)，鉭電容都能自我恢復。

鋁電解電容及其應用要點

鋁電解電容使用電解液作為介質(zhì)，外殼的鋁制圓筒作為負極，內(nèi)部插入一塊金屬板作為正極。

鋁電解電容容量大，耐壓高，但溫度穩(wěn)定性差，精度差，高頻濾波性能差，僅使用于低頻濾波。

上面提到鉭電容不適用于較大瞬變電流的場合，而在這種場合下，就需要用到鋁電解電容。

鋁電解電容的電壓降額要求至少為20%。

鋁電解電容一般都是插裝式，因此ESR/ESL值都比較大，同時由于采用液體作為介質(zhì)，在極高溫和極低溫環(huán)境下，性能也極不穩(wěn)定。

低溫下ESR相對常溫大很多，

從產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性來說，鋁電解電容也可能成為隱患。因為隨著產(chǎn)品使用時間的增加，鋁電解電容內(nèi)部的電解液將逐漸干涸，容量逐漸減少，ESR逐漸增大，濾波效果減弱。

電容的作用

1.電容的作用之一，電荷緩沖池

器件工作時電源的負載時動態(tài)的，即運行器件的電流和功耗時不斷變化的，為了保證器件工作的電壓不隨電流和功耗的劇烈變化而同程度變化，我們希望器件的電壓盡量穩(wěn)定。

在這種情況下，需要為器件提供一個緩沖池，以便當外界環(huán)境劇烈變化時，器件的工作能夠保持相對穩(wěn)定。

電容的本質(zhì)是儲存電荷和釋放電荷，根據(jù)公式，

Δ U =Δ Q/C

Δ U 表示電容兩端電壓的變化量

Δ Q 表示電容兩端電荷的變化量

C為電容容值

當運行器件電流變化時，Δ Q=Δ Ixt,即電荷Q需求不斷變化,根據(jù)上述公式可知， 通過電容電荷變化來減少電壓的變化，電壓變化幅度Δ U與電容容值有關(guān)，從而保持器件工作電壓的穩(wěn)定。

因此，電容的作用之一就是電荷緩沖池，保持工作電壓的穩(wěn)定。

2.電容作用之二，高頻噪聲的重要泄放通路

對于高速運行的電路而言，無時無刻不存在狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。比如芯片內(nèi)部開關(guān)管狀態(tài)切換。

這種高速的轉(zhuǎn)變將在電路上產(chǎn)生大量的噪聲等干擾。從頻譜上看，這些干擾在相當大程度上處于有效的2次/3次等倍頻頻率。在電源傳輸路徑上，需要將這些干擾泄放到相對穩(wěn)定的地平面上，以免影響器件的工作。

根據(jù) Z=1/j ω C)，當頻率較高時，電容表現(xiàn)為低阻抗，因此，可將電容作為高頻噪聲的重要泄放通路。

3.電容的作用之三，實現(xiàn)交流耦合

當兩個器件通過高速信號互連時，信號兩端的器件可能對直流分量有不同的要求。

例如，A和B兩個器件之間通過高速差分對信號互連，但A器件工作于1.8V，B器件工作于3.3V，則A器件驅(qū)動的差分對信號將攜帶1.8V直流分量，導致信號到達接收端B器件時無法被識別，

對于這種情況，需要將信號所攜帶的發(fā)送端的直流分量在達到接收端前濾除掉，即隔離信號兩邊器件的直流分量。

基于電容的通交流，阻直流的天然特性，電容具有這種隔離功能(交流耦合AC couple 和直流隔離 DC Blocking)。

文章出處：【微信公眾號：KIA半導體】

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