電容選型需要注意參數(shù)

很常見的一個場景就是，現(xiàn)在工程師手頭的電路中有一個標(biāo)稱電容，必須將電容與IC或者有源組件一起使用。一般來說大多數(shù) IC，例如：555、微控制器 IC ，在 datasheet 中針對不同的應(yīng)用都會有一個推薦的電容值。但很多時候都是需要工程師判斷，工程師自己去選擇一個合適的電容。

這篇文章就從2個方面來講一下怎么選擇電容？

電容基礎(chǔ)知識詳解-各類電容材料組成與應(yīng)用特點

電容選擇需要注意什么？

電容基礎(chǔ)知識詳解-各類電容材料組成與應(yīng)用特點

1、電解電容

當(dāng)需要非常大的電容值，通常使用電解電容。電解電容不是使用非常薄的金屬膜層作為電極之一，而是使用凝膠或糊狀物形式的半液體電解質(zhì)溶液作為第二電極。

電解電容通常有兩種基本形式：鋁電解電容和鉭電解電容。

1.1 鋁電解電容

鋁電解電容圖1

鋁電解電容優(yōu)點：最適合用于耦合、隔直和旁路電路，鋁電解電容內(nèi)使用的電解質(zhì)有助于修復(fù)損壞的極板，還具有對箔板進行再陽極氧化的能力。最常用于電源的去耦目的，即減少到達(dá)電路的電壓紋波。它們還廣泛用于DC/DC 開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器。

鋁電解電容缺點：與普通類型相比，不能承受高直流電流，容易極化，它們的公差范圍也很大，高達(dá) 20%。鋁電解電容的典型電容值范圍為 1uF 至 47,000uF。

1.2 鉭電解電容

鉭電解電容

鉭電解電容優(yōu)點：介電性能也比氧化鋁好得多，具有更低的漏電流和更好的電容穩(wěn)定性，使其適用于阻斷、旁路、去耦、濾波和定時應(yīng)用，額定工作電壓要低得多。固態(tài)鉭電容器通常用于交流電壓小于直流電壓的電路中。

鉭電解電容缺點：高度極化，具有災(zāi)難性的故障模式，可能由電壓尖峰觸發(fā)，甚至比額定電壓略高。

2、陶瓷電容

陶瓷電容的結(jié)構(gòu)非常簡單。在兩個金屬盤之間放置一個薄陶瓷盤，這些端子焊接到金屬盤上。一切都涂有絕緣保護涂層。

陶瓷實物圖

陶瓷電容結(jié)構(gòu)圖

MLCC 和陶瓷圓盤電容都進一步分為兩個應(yīng)用類別：I 類陶瓷電容和II 類陶瓷電容。

1.1 I 類陶瓷電容

精確度 (+/- 5%)和溫度補償，電容隨溫度的變化非常小。非常穩(wěn)定和準(zhǔn)確，用于頻率控制應(yīng)用，例如無線電應(yīng)用的諧振電路。

1.2 II 類陶瓷電容

精度較低，但提供更高的體積密度（高達(dá) μF 范圍），因此適用于平滑或去耦應(yīng)用。此外，它們具有較大的電壓系數(shù)，在最大 VDC 的一半處電容值降低 50% 是常見的。

X5R：可在 -55C 至 85C 溫度范圍內(nèi)運行，變化范圍為 +/- 15%。

X7R：可在 -55C 至 125C 溫度范圍內(nèi)運行，變化范圍為 +/- 15%Y5V：可在 -30C 至 85C 溫度范圍內(nèi)運行，變化范圍為 +22/- 82%。

封裝：0201、0402、0603、0805、1206 和 1812 封裝最為常見。數(shù)字代表英制尺寸，0402 為 0.04 X 0.02 英寸，0603 為 0.06 X 0.03 英寸，依此類推。

3、紙電容

紙電容是電容的最簡單形式。蠟紙保持在兩個鋁箔之間，即夾層。用蠟紙蓋住鋁箔。再次用另一張箔紙蓋住這張蠟紙。現(xiàn)在，把它卷成一個圓柱體。在卷筒的兩端放兩個金屬蓋。整個組件被設(shè)置為封閉在一個外殼中。通過軋制，將大截面積的電容器組裝在相當(dāng)小的空間內(nèi)。

紙電容結(jié)構(gòu)圖

紙電容應(yīng)用：由于其低漏電流、穩(wěn)定性和高容量，它們通常用于依靠低漏電流實現(xiàn)長保持時間的采樣和保持電路。由于尺寸更小且具有長期穩(wěn)定性，它們也用于電源濾波。

4、薄膜電容

薄膜電容是非極化的 ，這使得它們適用于交流信號。具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR)和自感 (ESL)，用于A/D 轉(zhuǎn)換器。它們可以處理高峰值電流， 因此可以用作緩沖電容，以“緩沖”DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的感應(yīng)反沖電壓尖峰。

5、云母電容

云母電容是無極性的，具有低損耗、高穩(wěn)定性和良好的高頻特性。主要用于功率射頻電路，高頻調(diào)諧電路，例如：濾波器和振動器，

云母電容每片的成本可能比較低，逐漸被陶瓷電容取代，以用于低功率應(yīng)用。

在某些應(yīng)用中，銀云母電容還是必不可少的。例如，電路設(shè)計人員仍將云母電容器用于射頻發(fā)射器等大功率應(yīng)用。由于云母的高擊穿電壓，銀云母仍然廣泛使用的另一個應(yīng)用是高壓應(yīng)用。

6、聚合物電容

由于其低 ESR，聚合物電容用于允許大紋波電流的應(yīng)用中。這種應(yīng)用的一個例子是開關(guān)直流-直流轉(zhuǎn)換器，降壓、升壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，它們使電容上的電壓保持相對恒定，但會產(chǎn)生高紋波電流。在這種情況下，最好使用具有低 ESR 的電容器，以提高電源效率并提高過載和過熱情況下的安全性。

固態(tài)聚合物電容可用于平滑從電源到敏感電路的電壓，從而降低電源噪聲。在此類應(yīng)用中，只要工作電壓足夠低，它們就可以輕松替代標(biāo)準(zhǔn)電解電容。

還可用于電源旁路和信號去耦，以減少設(shè)備產(chǎn)生的信號噪聲和電源噪聲，否則這些噪聲會轉(zhuǎn)移到電源并可能影響連接到該電源的其他設(shè)備。

聚合物電容通?？梢栽谟嬎銠C主板上找到，尤其是更高質(zhì)量的主板，例如服務(wù)器主板，它們在很大程度上取代了濕電解電容。

7、可變電容

在可變電容中，電容可以重復(fù)并有意地以電子或機械方式改變。具體的如下圖所示，可以改變電容。

可變電容溶質(zhì)變化圖（來源于網(wǎng)絡(luò)）

可變電容主要限于交流電路，大多數(shù)應(yīng)用需要高頻、高功率和低損耗特性。常用于設(shè)置諧振頻率 的 LC 電路?？勺冸娙萦糜谡{(diào)諧收音機。它也被稱為調(diào)諧電容器或調(diào)諧電容器或可變電抗，它還用于天線調(diào)諧器中的阻抗匹配。

電容選型需要注意參數(shù)

1、標(biāo)稱電容（C）

電容的標(biāo)稱值，電容的C是所有電容特性中最重要的。通常皮法拉 (pF)、納法拉 (nF) 或微法拉 (μF) 為單位測量，并以數(shù)字、字母或彩色條帶的形式標(biāo)記在電容主體上。

電容的電容值會隨著電路頻率 (Hz) y 和環(huán)境溫度的變化而變化。較小的陶瓷電容可以具有低至 1 皮法拉 (1pF) 的標(biāo)稱值，而較大的電解電容可以具有高達(dá) 1 法拉 (1F) 的標(biāo)稱電容值。

電容的選擇由電路配置決定，但在電容一側(cè)讀取的值可能不一定是其實際值。

標(biāo)稱電壓值

2、工作電壓

工作電壓是另一個重要的電容特性，在其工作壽命期間可以施加到電容上而不會出現(xiàn)故障的最大直流或交流電壓。通常，印在電容本體側(cè)面的工作電壓是指其直流工作電壓（WVDC）。

電容的直流和交流電壓值通常不同，因為交流電壓值指的是 rms 值，而不是 1.414 倍的最大值或峰值。此外，規(guī)定的直流工作電壓在一定的溫度范圍內(nèi)有效，通常為 -30°C 至 +70°C。

任何超過其工作電壓的直流電壓或過多的交流紋波電流都可能導(dǎo)致故障。因此，如果在涼爽的環(huán)境中并在其額定電壓內(nèi)運行，電容器將具有更長的工作壽命。

常見的工作直流電壓有 10V、16V、25V、35V、50V、63V、100V、160V、250V、400V 和 1000V，并印在電容的主體上。

3、精度-容差

與電阻一樣，電容也有一個正負(fù)值，也就是精度-容差。對于通常小于 100pF 的低值電容，以皮法 (±pF) 表示，對于通常高于 100pF 的較高值電容，以百分比 (±%)表示。

容差值是允許實際電容與其標(biāo)稱值變化的程度，范圍可以從 -20% 到 +80%。因此，具有 ±20% 容差的 100μF 電容器可以合法地從 80μF 變化到 120μF，并且仍保持在容差范圍內(nèi)。

電容的額定值是根據(jù)它們與額定標(biāo)稱電容相比與實際值的接近程度來確定的，并帶有用于指示其實際容差的彩色條帶或字母。電容最常見的容差變化是 5% 或 10%，但一些塑料電容的額定值低至 ±1%。

4、漏電流

電容內(nèi)部用于分隔導(dǎo)電板的電介質(zhì)不是完美的絕緣體，當(dāng)施加到電容時，由于極板上的電荷建立的強大電場的影響，會導(dǎo)致非常小的電流流過或“泄漏”通過電介質(zhì)。

這種在納安 ( nA )范圍內(nèi)流動的小直流電流稱為電容漏電流。泄漏電流是電子物理穿過介電介質(zhì)、圍繞其邊緣或穿過其引線的結(jié)果，如果電源電壓被移除，隨著時間的推移，這將使電容完全放電。

漏電流圖

當(dāng)泄漏非常低時，例如在薄膜或箔型電容中，它通常被稱為“絕緣電阻”（R p ），并且可以表示為與電容并聯(lián)的高值電阻，如上圖所示。當(dāng)漏電流像電解液一樣高時，它被稱為“漏電流”，因為電子直接流過電解液。

電容漏電流是放大器耦合電路或電源電路中的一個重要參數(shù)，耦合和/或存儲應(yīng)用的最佳選擇是聚四氟乙烯和其他塑料電容類型（聚丙烯、聚苯乙烯等），因為介電常數(shù)越低，絕緣電阻越高。

另一方面，電解型電容（鉭和鋁）可能具有非常高的電容，但由于其絕緣電阻差，它們也具有非常高的泄漏電流（通常約為 5-20 μA/μF），并且因此不適合存儲或耦合應(yīng)用。此外，鋁電解液的漏電流會隨著溫度的升高而增加。

5、允許損耗

運行損耗可能是電路需要節(jié)能的一個重要因素（如電池供電的電路）。對于此類電路，應(yīng)仔細(xì)選擇電容，考慮其耗散因數(shù)（以百分比表示的典型能量損失）、介電吸收、漏電流或絕緣電阻以及自感。必須將所有這些損耗降至最低，以提高電路的效率和電池壽命。

6、波紋電流、脈沖電壓

電路必須針對脈動電壓和最大紋波電流的可能性進行操作。然后，應(yīng)選擇具有適當(dāng)紋波電流和工作電壓額定值的電容。

7、頻率相關(guān)性

許多電容的電容取決于頻率，可能不適用于特定的頻率范圍，取決于電路，電容的頻率依賴性應(yīng)該被主要考慮。

8、工作溫度

由于介電特性的變化，電容周圍的溫度變化會影響電容值。如果空氣或環(huán)境溫度變熱或變冷，電容的電容值可能會發(fā)生很大變化，從而影響電路的正確運行。大多數(shù)電容的正常工作范圍是 -30 ℃ 到 +125 ℃，標(biāo)稱額定電壓適用于不超過 +70 ℃ 的工作溫度，尤其是塑料電容類型。

通常對于電解電容，尤其是鋁電解電容，在高溫下（超過+85 ℃ 時，電解液中的液體會因蒸發(fā)而流失，電容的主體（尤其是小尺寸）可能會因內(nèi)部壓力而變形并且直接泄漏。此外，電解電容不能在低于-10 ℃ 的低溫下使用，因為電解質(zhì)會結(jié)冰。

9、溫度系數(shù)

電容的溫度系數(shù)是其電容在指定溫度范圍內(nèi)的最大變化。電容的溫度系數(shù)通常線性表示為每攝氏度的百萬分之幾 (PPM/ ℃)，或在特定溫度范圍內(nèi)的百分比變化。一些電容是非線性的，它們的值會隨著溫度升高而增加，從而賦予它們一個以正 “P” 表示的溫度系數(shù)。

一些電容會隨著溫度升高而降低其值，從而為它們提供一個以負(fù)“N”表示的溫度系數(shù)。例如，“P100”是 +100 ppm/ ℃ 或“N200”，即 -200 ppm/ ℃等。

但是，有些電容不會改變它們的值并在一定的溫度范圍內(nèi)保持恒定，這樣的電容具有零溫度系數(shù)或 “NPO” 。這些類型的電容（例如云母或聚酯）通常稱為 1 類電容。

大多數(shù)電容，尤其是電解電容，在變熱時會失去電容，但溫度補償電容的可用范圍至少為 P1000 到 N5000（+1000 ppm/ ℃到 -5000 ppm/ ℃）。也可以將具有正溫度系數(shù)的電容器與具有負(fù)溫度系數(shù)的電容串聯(lián)或并聯(lián)連接，最終結(jié)果是兩種相反的效果將在一定的溫度范圍內(nèi)相互抵消。

溫度系數(shù)電容的另一個有用應(yīng)用是使用它們來消除溫度對電路中其他組件（例如電感或電阻等）的影響。

10、極化和反向電壓

電容極化通常是指電解型電容，但主要是鋁電解電容，就其電氣連接而言。大多數(shù)電解電容是有極性的，即連接到電容端子的電壓必須具有正確的極性，即正極對正極，負(fù)極對負(fù)極。

電容標(biāo)記

如圖所示，大多數(shù)電解電容的負(fù)極-ve端子在其一側(cè)清楚地標(biāo)有黑色條紋、帶、箭頭或V 字形，以防止與直流電源的任何錯誤連接。

這里電解電容正負(fù)極性的區(qū)別可以參考李工的文章，我覺得總結(jié)得很到位：

電解電容怎么區(qū)分正負(fù)極性

一些較大的電解電容的金屬罐或主體連接到負(fù)極端子，但高壓類型的金屬罐絕緣，電極被引出以分離鏟形或螺釘端子以確保安全。

此外，在電源平滑電路中使用鋁電解電容時，應(yīng)注意防止峰值直流電壓和交流紋波電壓之和成為“反向電壓”。

11、等效串聯(lián)電阻

電容的等效串聯(lián)電阻或ESR是電容在高頻下使用時的交流阻抗，包括電介質(zhì)材料的電阻、端子引線的直流電阻、電介質(zhì)連接的直流電阻和電容極板電阻均在特定頻率和溫度下測量。

ESR模型

在某些方面，ESR 與絕緣電阻相反，絕緣電阻表現(xiàn)為與電容并聯(lián)的純電阻（無容抗或感抗）。理想的電容只有電容，但 ESR 表現(xiàn)為與電容串聯(lián)的純電阻（小于 0.1Ω）（因此稱為等效串聯(lián)電阻），它取決于頻率，使其成為“動態(tài)”量。

由于 ESR 定義了電容 “等效” 串聯(lián)電阻的能量損失，因此它必須確定電容的整體I2R熱損失，尤其是在用于電源和開關(guān)電路時。

具有相對較高 ESR 的電容由于其較長的充電和放電RC時間常數(shù)，因此將電流從其極板傳遞到外部電路的能力較低。隨著電解液變干，電解電容的 ESR 會隨著時間的推移而增加。具有非常低 ESR 額定值的電容可供使用，并且最適合將電容用作濾波器。

最后一點，小電容（小于 0.01μF）的電容通常不會對人體造成太大危險。然而，當(dāng)它們的電容開始超過 0.1μF 時，觸摸電容引線可能會令人震驚。

即使在沒有電路電流流動的情況下，電容也能夠以電壓的形式存儲電荷，從而為它們提供一種存儲器。

審核編輯：湯梓紅