電子元器件解析之電容定義與性能參數(shù)

一. 什么是電容

電容器，Capacitor，是將電能儲存在電場中的被動電子器件。而電容是表征在給定電壓下，電容器存儲電荷的能力的物理量，記為C，

它和前面的公式是一樣的，其實就是介電常數(shù)和相對介電常數(shù)的換算，這兩者其實是同一物理量的不同表達。

通過平行板電容器公式我們知道，電容量的大小和導(dǎo)體的正對面積、導(dǎo)體間距和導(dǎo)體間介質(zhì)的相對介電常數(shù)有關(guān)：

1. 導(dǎo)體正對面積越大，電容越大
2. 導(dǎo)體間距越小，電容越大
3. 導(dǎo)體間介質(zhì)的相對介電常數(shù)越大，電容越大

據(jù)此公式，在電路中， 鄰近的導(dǎo)體之間即存在電容 ，而 電容器是為了增加電路中的電容量而加入的電子器件 。

為了簡潔，我們通常將 電容器就稱為電容 ，而 電容器的電容則稱為容量或容值 。電容在電路原理圖中的符號如下圖所示。

總的來說，電容是一種能存儲電荷的被動元件，在電路中，它的主要作用是 儲能 、 濾波 、 耦合 、延時等。

二. 電容的性能參數(shù)

本節(jié)參考： IEC 60384 。（IEC 60384，F(xiàn)ixed capacitors for use in electronic equipment，電子設(shè)備用固定電容器，是由國際電工委員會（IEC）發(fā)布的一組標準，包括IEC 60384-1、IEC 60384-14等多個標準。該標準規(guī)定了電子設(shè)備用固定電容器的一般要求、尺寸、性能、試驗方法、標記、包裝、運輸和儲存等內(nèi)容。該標準在電子設(shè)備制造業(yè)中具有重要的地位，被廣泛使用和遵循。最新版本為2021版，國內(nèi)相應(yīng)的國家標準為GB/T 6346。）

2.1 電容標稱值與精度

電容標稱值 ，Rated capacitance或Capacitance value ，也稱容量，它和電阻標稱值的概念基本是一樣的，主要包括以下幾個系列：E6、E12、E24等。這些系列分別表示不同的精度和電容值范圍，如下：

E24：1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.4、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1。

E12：1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2。

E 6：1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8。

根據(jù)這些標稱值，可以得到我們常用的多種電容值，如10uF、100nF，2.2uF，330pF，68nF等。

電容精度 ，Tolerance，精度表示的是 電容出廠時的容值與其標稱值之間的誤差 。有時電容容差和精度是一個意思， 有時容差指的是外部環(huán)境（如溫度、頻率、電壓等）使電容器容值變化的范圍，和精度不是一個概念，注意甄別 。精度和電容系列的對應(yīng)關(guān)系如下：

舉個例子，10uF電容，精度10%，那么其實際容量在9uF~11uF之間，標稱10uF實際有偏差，這就是精度的概念，和電阻精度是同一概念。

對于容量<10pF的電容 ，一般就不用百分之多少來表示精度，而直接寫明絕對精度，如8pF±0.25pF； 對于容量≥10pF的電容 ，精度就寫成百分比的形式，如100pF±1%。

通常來說，電容的精度通常是不那么關(guān)鍵的參數(shù)，因為電容在起儲能與濾波作用時，容量大一點，小一點是沒多大影響的，除非是在一些精密儀器的使用場景下，所以， 我們最常使用的還是E6與E12系列 。

另外還要注意，實際電容的精度也與容值的大小相關(guān)，一般規(guī)律是， 容值越小精度越高 ， 容值越大，精度越低 。這其實與電容介質(zhì)材料和制作工藝相關(guān)，當(dāng)追求大容量時，就難以兼顧高精度了。一般來說，10uF的電容最高精度是5%，100uF的電容最高精度是10%。

2.3 電容額定電壓與擊穿電壓

電容額定電壓 ，Rated voltage，也稱為 電容耐壓 ，是指在正常工作下電容能持續(xù)施加的最大電壓值，它主要與電容內(nèi)部的電介質(zhì)材料和電容結(jié)構(gòu)有關(guān)。

1. 電容內(nèi)部的電介質(zhì)材料是決定電容耐壓的關(guān)鍵因素。不同的電介質(zhì)材料具有不同的耐壓特性，如氧化鋁陶瓷電容器的耐壓通常較高，而電解電容器的耐壓則較低。
2. 電容器的結(jié)構(gòu)也會對其耐壓特性產(chǎn)生影響。例如，電容器的電極間距離越小，電容耐壓就越低。

溫度對電容耐壓也有一定影響。 一般來說，在規(guī)定的工作溫度下，電容耐壓是穩(wěn)定的 。但是，當(dāng)電容器工作溫度過高時，電容器內(nèi)部材料可能會因熱老化而降低其耐壓特性。

對于無極性電容，如陶瓷電容和薄膜電容等，電容耐壓有直流耐壓和交流耐壓兩種 。交流電場下，電容器中的電荷會隨著電場的變化而不停地在電容器內(nèi)部移動，從而產(chǎn)生能量損耗和熱量，導(dǎo)致電容器的溫度升高。當(dāng)電容器溫度升高到一定程度時，其電介質(zhì)的性能會發(fā)生變化，從而影響電容器的耐壓能力。因此，在相同的電容器中，其交流耐壓通常要比直流耐壓要小。 一般電容交流耐壓 ：電容直流耐壓 = 1：1.5~2 。即一個電容交流耐壓標注是100VRMS，那么它的直流耐壓應(yīng)在150VDC以上。

實際查閱很多MLCC的手冊發(fā)現(xiàn)， 手冊只提供直流耐壓參數(shù)，而未給出交流耐壓參數(shù) ，這是因為交流耐壓受到很多因素的影響，如電極結(jié)構(gòu)、電介質(zhì)材料、制造工藝等，因此很難提供一致的交流耐壓參數(shù)。相反，直流電場下的耐壓性能相對穩(wěn)定，因此提供直流耐壓參數(shù)更為常見。如果這些電容被用到交流電路中，注意咨詢廠家得到電容的準確交流耐壓值并保證一定裕量。

對于有極性的電容（一般為電解電容），電容耐壓只有直流耐壓，沒有交流耐壓。如果電解電容加負壓，會導(dǎo)致電容容量下降，甚至短路燒毀，對電解電容造成損壞。

電容的額定電壓的優(yōu)先值一般為：6.3V，10V，16V，25V，50V及其它們的十進倍數(shù)。此優(yōu)先值和電容類型有關(guān)。

電容擊穿電壓 ，Breakdown voltage，電容擊穿電壓是指當(dāng)電容器內(nèi)部介質(zhì)被電場穿透時，電容器的兩個電極之間出現(xiàn)放電的電壓。 電容擊穿電壓一般是額定電壓的1.3~2倍 。一般來說，電容器被擊穿后會處于短路狀態(tài)，短路對電路的破壞性可能是毀滅性的。但也有一些特殊的電容，在被擊穿后會處于斷路狀態(tài)，其原因是因為在大電流后，金屬熔化或是汽化了，因此崩潰后會產(chǎn)生斷路，而斷路則通常不會有破壞性影響。

如果電容兩端電壓超過額定電壓，但未達到擊穿電壓，可能引起以下后果：1）容值變化；2）壽命縮短；3）損耗增加。所以，一般情況下，電容兩端電壓需按額定電壓的70%降額使用。

2.2 電容的工作溫度范圍、溫度系數(shù)與常見介質(zhì)的溫度特性

電容工作溫度范圍 ， Operating temperature range，是指電容器可以正常工作的溫度范圍，它與電容類型有關(guān)。一般來說，電解電容器的工作溫度范圍比較窄，一般為-40℃到+85℃，而陶瓷電容、薄膜電容和鉭電容的工作溫度范圍相對較寬，一般可以達到-55℃到+125℃。

如果電容在超過工作溫度范圍的溫度下工作，可能引起以下后果：

1. 容量變化很大（一般為容量降低），影響電路正常工作。
2. 電容內(nèi)部材料機械性能降低，可能會導(dǎo)致電容器的機械失效，如殼體破裂等。
3. 電容內(nèi)部電阻變大，損耗增加，影響電容性能。
4. 電容內(nèi)部材料老化，影響使用壽命。
5. 電容絕緣性能下降，可能發(fā)生漏電、短路，甚至引發(fā)火災(zāi)。

電容溫度系數(shù) ，Temperature Coefficient of Capacitance，簡稱 TCC ，指的是 電容容量隨溫度變化的程度 ，通常用ppm/℃（百萬分之一/攝氏度）來表示，它與電阻溫度系數(shù)的計算完全相同，公式如下：

需要說明的是， 溫度系數(shù)是有正有負的 ，這意味著電容容量會隨著溫度變化增加或減小。

電容工作溫度范圍與溫度系數(shù)統(tǒng)稱為電容的溫度特性 ，它反應(yīng)電容的工作溫度范圍與范圍內(nèi)容量的變化情況。通過平行板電容器公式我們知道，電容容量由正對面積、間距和介質(zhì)的介電常數(shù)共同決定。其中， 介質(zhì)的介電常數(shù)與溫度特性的關(guān)系最為密切 ，因此一些電容的數(shù)據(jù)手冊上溫度特性就寫的是介質(zhì)材料，如溫度特性：COG（-55 to +125°C、0±30 ppm/°C），溫度特性 ： X5R（-55 to +85°C、±15%）。

常見的幾種介質(zhì)的溫度特性如下表所示：

2.4 電容ESR、損耗角正切值與電容頻率特性

ESR ，Equivalent Series Resistance，電容器的 等效串聯(lián)電阻 ，在物理上由介質(zhì)材料、電極、引線的電阻及它們之間的連接電阻組成。ESR包含介質(zhì)損耗和電極損耗兩部分。

介質(zhì)損耗是指電容器內(nèi)部的電介質(zhì)材料在電場作用下產(chǎn)生的耗散。電介質(zhì)材料有一定的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，當(dāng)電場作用下，會產(chǎn)生一定的電流和磁場，從而導(dǎo)致能量損耗。介質(zhì)損耗是電容器內(nèi)部的一種無法避免的損耗。

電極損耗是指電容器內(nèi)部的電極材料在交變電場作用下產(chǎn)生的能量損耗。在電容器內(nèi)部，電介質(zhì)材料和電極材料之間形成了電場，當(dāng)電容器工作頻率較高時，電極材料會受到高頻交變電場的影響，導(dǎo)致電極材料內(nèi)部產(chǎn)生感性耗散，從而產(chǎn)生能量損耗，這種能量損耗就是電極損耗。

從參考文章——[電容器阻抗/ESR頻率特性是指什么？| 村田制作所 技術(shù)文章 (murata.com)]（https://article.murata.com/zh-cn/article/impedance-esr-frequency-characteristics-in-capacitors）中我們知道，電容的ESR在低頻時主要是介質(zhì)損耗，在高頻時主要是電極損耗。如下圖所示。

影響電容ESR的因數(shù)主要有以下幾個：

1. 電容類型與介質(zhì)材料，一般來說，薄膜電容的ESR最小、陶瓷電容次之，電解電容的ESR最大。
2. 電容容量，對于同型號同耐壓的電容，容量越大，ESR越低，因為容量越大，意味著電極面積越大，電容器內(nèi)部的電流流動也就越順暢，從而減少了ESR。
3. 電容耐壓，對于同型號同容量的電容，耐壓越大，ESR越低，因為耐壓越大，意味著電極間距越大，同一電壓下電容內(nèi)部的場強減小了，從而損耗減小了，也就減小了ESR。
4. 電容尺寸和形狀，一般來說，電容器的尺寸越大，ESR越小，因為尺寸越大意味著電極面積越大，電極間距越大，ESR越小。
5. 電容制造工藝，即使是同類型的電容，不同廠家的ESR也不一樣，這就是制造工藝的差距。
6. 電容老化與使用壽命，隨著電容器的使用時間的增加，電容器內(nèi)部的電介質(zhì)和電極材料可能會發(fā)生老化和損傷，從而導(dǎo)致ESR的增加。
7. 電容使用環(huán)境，在潮濕或鹽霧環(huán)境下，電容內(nèi)部材料容易發(fā)生腐蝕和氧化，導(dǎo)致ESR增加。
8. 外部溫度，ESR會隨著電容使用溫度的變化而變化，這主要是因為介質(zhì)和極板材料的電導(dǎo)率會隨著溫度變化，有的電容溫度越高，ESR越??；有的則溫度越高，ESR越大。
9. 電容工作頻率，基本規(guī)律是在電容自諧振頻率之前，ESR隨頻率增加而降低；在自諧振頻率之后，ESR隨頻率增加而增加。

通常來說，電容的ESR是越低越好，這樣電容的能量損耗小，從而提高了電容器的效率和性能。但是，有時較低的ESR會引起電路諧振，造成電壓電流異常變化、噪聲干擾、溫度上升等嚴重后果，所以有時我們會看到電容串聯(lián)一個小阻值的電阻一起使用，這就是為了增加ESR，防止諧振。

另外，ESR還可以反映電容器內(nèi)部的損耗和質(zhì)量。當(dāng)電容器的ESR過高時，說明電容器內(nèi)部存在一些損耗或質(zhì)量問題，可能會導(dǎo)致電容器的壽命縮短或工作不穩(wěn)定，所以 可以通過測定比較同一型號電容器的ESR來判斷哪些電容是殘次品或者以及失效 。

損耗角正切值 ，tanδ，和電容ESR的物理意思是一樣的，都是表示電容器的能量耗散。其中δ為電容損耗角，它表示電容電流偏離電壓90°的夾角，如下圖所示。

有的電容手冊中并不給出ESR，而給出損耗角正切值，其實是一樣的，ESR = tanδ * 容抗。注意此公式只在電容自諧振頻率之前成立。

電容頻率特性 ，Capacitor frequency response，指的是電容阻抗隨電容端電壓頻率變化的特性。某品牌的電容頻率特性如下圖所示。

在之前的說明中我們知道，在自諧振頻率之前，電容呈容性；在自諧振頻率，呈阻性；在自諧振頻率之后，呈感性。

另外，我們可以看到，小電容的諧振頻率在大電容之后，這使得小電容往往在高頻的阻抗更低，所以，當(dāng)使用電容濾除高頻電流時，往往使用大電容并聯(lián)小電容的方式，此技巧在實際中應(yīng)用廣泛，特別是在EMI抑制中。

2.5 電容額定紋波電流及其頻率系數(shù)

電容額定紋波電流即是在電容器內(nèi)允許流過的最大交流電流。由于電容器內(nèi)的功率損耗（ESR 存在），紋波電流會使電容器內(nèi)部產(chǎn)生一個溫升。為了使電容器在壽命周期內(nèi)正常工作，每個電容器都規(guī)定了一個額定工作溫度下的額定紋波電流，從而限制其內(nèi)部溫升。

從上文我們知道，電容工作頻率會影響ESR，所以電容的額定紋波電流與工作頻率相關(guān)，稱為 額定紋波電流的頻率系數(shù) ， Frequency coefficient of rated ripple current。下圖顯示的是尼吉康的某型號電解電容的額定紋波電流的頻率系數(shù)。

額定紋波電流的頻率系數(shù)指的是允許通過的紋波電流與通過電容的電流的比值，50Hz 0.7,表示電容工作頻率50Hz時，允許通過的額定紋波電流為工作電流的0.7倍，這個值在120Hz時上升為1，在300Hz時上升為1.17，隨頻率增加，這也很好理解，因為在自諧振頻率之前，電容ESR隨頻率增加而減小，所以，頻率越高，允許通過的紋波電流越大。

2.6 電容漏電流與絕緣電阻

電容漏電流 ，Leakage Current，指的是電容兩極板間流過的直流電流。因為電容介質(zhì)材料的絕緣電阻不可能無限大，所以漏電流必定存在，并與介質(zhì)材料、電容結(jié)構(gòu)和工藝都相關(guān)。

此外，對一個確定的電容，漏電流值與施加的電壓，充電時間和電容器的溫度有關(guān)。溫度升高、電壓升高都會使漏電流增大。

電容絕緣電阻 ，Insulation Resistance，指的是電容兩極板間的絕緣電阻。 它和漏電流其實表示的都是電容的絕緣性能 ，絕緣電阻越大，電容絕緣性能越好，漏電流越小。

一般來說， 漏電流用容量與電容兩端電壓乘積的百分比來對比 ，或給出最大漏電流，如下圖所示。

0.01CV表示容量與電壓乘積的1%?？梢娐╇娏髡Ｇ闆r下是非常小的。

如果電容存在缺陷，如介質(zhì)中雜質(zhì)很多，則電容的絕緣性能就會變差，漏電流也會隨之增加。

2.7 電容存儲壽命與使用壽命

電容存儲壽命 ，Capacitor storage life，指的是在未使用的情況下，電容器可以存放多長時間而不會失效。

存儲壽命受到多種因素的影響，例如存放環(huán)境的溫度、濕度、氧氣濃度、電容器的結(jié)構(gòu)和材料等。在存放電容器時，需要注意避免存放在高溫、高濕、高氧氣濃度的環(huán)境中，以延長其存儲壽命。

電容使用壽命 ，Capacitor service life，指的是在正常使用條件下，電容器可以工作多長時間而不會失效。

使用壽命受到多種因素的影響，例如電容器的結(jié)構(gòu)、材料、工作電壓、電流負載、環(huán)境溫度等。在使用電容器時，需要根據(jù)實際情況選擇合適的電容器類型和規(guī)格，并嚴格按照其使用條件進行使用，以延長其使用壽命。

有的廠家會給出電容使用壽命的計算公式，如下圖是 Murata給出的陶瓷電容使用壽命計算公式 ?？勺鲄⒖?。