對電容的工作原理及電容的選擇應用的詳細分析

電容的工作原理及電容的選擇應用？什么是電容？電容的單位是什么？本文將詳細為您解答！

話說電容之一：電容的作用

作為無源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：

1、應用于電源電路，實現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲能的作用。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能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負載需求。 就像小型可充電電池樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進行放電。 為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負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大而導致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。

2）去藕

去藕，又稱解藕。 從電路來說， 總是可以區(qū)分為驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負載。如果負載電容比較大， 驅(qū)動電路要把電容充電、放電， 才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時候， 電流比較大， 這樣驅(qū)動的電流就會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，會產(chǎn)生反彈），這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作，這就是所謂的“耦合”。

去藕電容就是起到一個“電池”的作用，滿足驅(qū)動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(guān)噪聲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)動電流的變化大小來確定。

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

3）濾波

從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實際上超過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增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯(lián)了一個小電容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越小低頻越容易通過，電容越大高頻越容易通過。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突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，可很形象的說電容像個水塘，不會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，放電的過程。

4）儲能

儲能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲的能量通過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（如EPCOS 公司的 B43504 或B43505）是較為常用的。根據(jù)不同的電源要求，器件有時會采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式， 對于功率級超過10KW 的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

2、應用于信號電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數(shù)的作用：

1）耦合

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

2）振蕩/同步

包括RC、LC 振蕩器及晶體的負載電容都屬于這一范疇。

3）時間常數(shù)

這就是常見的 R、C 串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當輸入信號電壓加在輸入端時，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。電流通過電阻（R）、電容（C）的特性通過下面的公式描述：

i = （V / R）e - （t / CR）

話說電容之二：電容的選擇

通常，應該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢？筆者認為，應基于以 下幾點考慮：

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；

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，電容作為器件的外圍元件，幾乎每個器件的 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，據(jù)此可以獲得基本的器件選擇要求，然后再進一步完善細化之。其實選用電容時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﹑電壓與時間的改變而改變，適用于對穩(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﹑電壓與時間改變時性能的變化并不顯著（？C 《 ±10%）。適用于隔直、偶合、旁路與對容量穩(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% ～ -80%），容量﹑損耗對溫度、電壓等測試條件較敏感，但由于其K 值較大，所以適用于一些容值要求較高的場合。

話說電容之三：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，高脈動電流、長壽命、大容量的不二之選，廣泛應用于電源濾波、解藕等場合。

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，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）。脈動吸收、瞬態(tài)響應及噪聲抑制都優(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，獨特的材料和薄膜技術(shù)的結(jié)晶，迎合了當今“更輕、更薄、更節(jié)能“的設(shè)計理念。

5、超級電容

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”。主要特點是：超高容值、良好的充/放電特性，適合于電能存儲 和電源備份。缺點是耐壓較低，工作溫度范圍較窄。

話說電容之四：多層陶瓷電容（MLCC）

對于電容而言，小型化和高容量是永恒不變的發(fā)展趨勢。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)品中廣泛應用極為廣泛，但近年來數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)進步對其提出了新要求。例如，手機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設(shè)計。

也就是說，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)對電壓的依賴，優(yōu)化直流偏置電壓特性。

應用中較為常見的是 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、無繩電話、藍牙、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、定時器電路等。

話說電容之五：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，因為鉭電容的介質(zhì)為陽極氧化后生成 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 通常認為鉭電容性能比鋁電容好。

但這種憑陽極判斷電容性能的方法已經(jīng)過時了，目前決定電解電容性能的關(guān) 鍵并不在于陽極，而在于電解質(zhì)，也就是陰極。因為不同的陰極和不同的陽極可 以組合成不同種類的電解電容，其性能也大不相同。采用同一種陽極的電容由于 電解質(zhì)的不同，性能可以差距很大，總之陽極對于電容性能的影響遠遠小于陰極。 還有一種看法是認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， 那么它的性能其實也能提升不少。

可以肯定，ESR 是衡量一個電容特性的主要參數(shù)之一。 但是，選擇電容，應避免 ESR 越低越好，品質(zhì)越高越好等誤區(qū)。衡量一個產(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意的夸大。

---以上引用了部分網(wǎng)友的經(jīng)驗總結(jié)。

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

一般來說，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。如果那個電容是用在濾波器電路（比如中心為50Hz 的帶通濾波益。然而，這需要你在PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。

話說電容之六：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：

1、電容值

電解電容器的容值，取決于在交流電壓下工作時所呈現(xiàn)的阻抗。因此容值， 也就是交流電容值，隨著工作頻率、電壓以及測量方法的變化而變化。在標準 JISC 5102 規(guī)定：鋁電解電容的電容量的測量條件是在頻率為 120Hz，最大交 流電壓為 0.5Vrms，DC bias 電壓為1.5 ～ 2.0V 的條件下進行?？梢詳嘌?， 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 下計算獲得的值。顯然，Tan δ 隨著測量頻率 的增加而變大，隨測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 達到中頻范圍時電抗（XL）降至 ESR 的值。當頻率達到高頻范圍時感抗（XL） 變?yōu)橹鲗?，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，重新形成的以及修復氧化膜的時候會產(chǎn)生一種很小 的稱之為漏電流的電流。通常，漏電流會隨著溫度和電壓的升高而增大。

5、紋波電流和紋波電壓

在一些資料中將此二者稱做“漣波電流”和“漣波電壓”，其實就是 ripple current，ripple voltage。 含義即為電容器所能耐受紋波電流/電壓值。 它們和ESR 之間的關(guān)系密切，可以用下面的式子表示：

Urms = Irms × R

式中，Vrms 表示紋波電壓

Irms 表示紋波電流

R 表示電容的 ESR

由上可見，當紋波電流增大的時候，即使在 ESR 保持不變的情況下，漣波電壓也會成倍提高。換言之，當紋波電壓增大時，紋波電流也隨之增大，這也是要求電容具備更低 ESR 值的原因。疊加入紋波電流后，由于電容內(nèi)部的等效串連電阻（ESR）引起發(fā)熱，從而影響到電容器的使用壽命。一般的，紋波電流與 頻率成正比，因此低頻時紋波電流也比較低。

話說電容之七：電容器參數(shù)的基本公式

1、容量（法拉）

英制： C = （ 0.224 × K · A） / TD

公制： C = （ 0.0884 × K · A） / TD

2、電容器中存儲的能量

E = 1/2 CV2

3、電容器的線性充電量

I = C （dV/dt）

4、電容的總阻抗（歐姆）

Z = √ ［ RS

2 + （XC – XL）2 ］

5、容性電抗（歐姆）

XC = 1/（2πfC）

6、相位角 Ф

理想電容器：超前當前電壓 90o

理想電感器：滯后當前電壓 90o

理想電阻器：與當前電壓的相位相同

7、耗散系數(shù) （%）

D.F. = tan δ （損耗角）

= ESR / XC

= （2πfC）（ESR）

8、品質(zhì)因素

Q = cotan δ = 1/ DF

9、等效串聯(lián)電阻ESR（歐姆）

ESR = （DF） XC = DF/ 2πfC

10、功率消耗

Power Loss = （2πfCV2） （DF）

11、功率因數(shù)

PF = sin δ （loss angle） – cos Ф （相位角）

12、均方根

rms = 0.707 × Vp

13、千伏安KVA （千瓦）

KVA = 2πfCV2 × 10-3

14、電容器的溫度系數(shù)

T.C. = ［ （Ct – C25） / C25 （Tt – 25） ］ × 106

15、容量損耗（%）

CD = ［ （C1 – C2） / C1 ］ × 100

16、陶瓷電容的可靠性

L0 / Lt = （Vt / V0） X （Tt / T0）Y

17、串聯(lián)時的容值

n 個電容串聯(lián)：1/CT = 1/C1 + 1/C2 + ，，。 + 1/Cn

兩個電容串聯(lián)：CT = C1 · C2 / （C1 + C2）

18、并聯(lián)時的容值

CT = C1 + C2 + ，，。 + Cn

19、重復次數(shù)（Againg Rate）

A.R. = % △C / decade of time

上述公式中的符號說明如下：

K = 介電常數(shù)

A = 面積

TD = 絕緣層厚度

V = 電壓

t = 時間

RS = 串聯(lián)電阻

f = 頻率

L = 電感感性系數(shù)

δ = 損耗角

Ф = 相位角

L0 = 使用壽命

Lt = 試驗壽命

Vt = 測試電壓

V0 = 工作電壓

Tt = 測試溫度

T0 = 工作溫度

X ， Y = 電壓與溫度的效應指數(shù)。

話說電容之八：電源輸入端的X，Y 安全電容

在交流電源輸入端，一般需要增加三個電容來抑制EMI 傳導干擾。交流電源的輸入一般可分為三根線：火線（L）/零線（N）/地線（G）。在火線和地線之間及在零線和地線之間并接的電容，一般稱之為Y 電容。這兩個Y電容連接的位置比較關(guān)鍵，必須需要符合相關(guān)安全標準，以防引起電子設(shè)備漏電或機殼帶電，容易危及人身安全及生命，所以它們都屬于安全電容，要求電容值不能偏大，而耐壓必須較高。一般地，工作在亞熱帶的機器，要求對地漏電電流不能超0.7mA；工作在溫帶機器，要求對地漏電電流不能超過0.35mA。因此，Y 電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^4700pF。

特別提示：Y 電容為安全電容，必須取得安全檢測機構(gòu)的認證。Y 電容的耐壓一般都標有安全認證標志和AC250V 或AC275V 字樣，但其真正的直流耐壓高達5000V 以上。因此，Y 電容不能隨意使用標稱耐壓AC250V，或DC400V之類的普通電容來代用。

在火線和零線抑制之間并聯(lián)的電容，一般稱之為X 電容。由于這個電容連接的位置也比較關(guān)鍵，同樣需要符合安全標準。因此，X 電容同樣也屬于安全電容之一。X 電容的容值允許比Y 電容大，但必須在X 電容的兩端并聯(lián)一個安全電阻，用于防止電源線拔插時，由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長時間帶電。安全標準規(guī)定，當正在工作之中的機器電源線被拔掉時，在兩秒鐘內(nèi)，電源線插頭兩端帶電的電壓（或?qū)Φ仉娢唬┍仨毿∮谠瓉眍~定工作電壓的30%。同理，X 電容也是安全電容，必須取得安全檢測機構(gòu)的認證。X 電容的耐壓一般都標有安全認證標志和AC250V 或AC275V 字樣，但其真正的直流耐壓高達2000V 以上，使用的時候不要隨意使用標稱耐壓AC250V，或DC400V 之類的普通電容來代用。

X 電容一般都選用紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容，這種電容體積一般都很大，但其允許瞬間充放電的電流也很大，而其內(nèi)阻相應較小。普通電容紋波電流的指標都很低，動態(tài)內(nèi)阻較高。用普通電容代替X 電容，除了耐壓條件不能 滿足以外，一般紋波電流指標也是難以滿足要求的。

實際上，僅僅依賴于Y 電容和X 電容來完全濾除掉傳導干擾信號是不太可能的。因為干擾信號的頻譜非常寬，基本覆蓋了幾十KHz 到幾百MHz，甚至上千MHz 的頻率范圍。通常，對低端干擾信號的濾除需要很大容量的濾波電容，但受到安全條件的限制，Y 電容和X 電容的容量都不能用大；對高端干擾信號的濾除，大容量電容的濾波性能又極差，特別是聚脂薄膜電容的高頻性能一般都比較差，因為它是用卷繞工藝生產(chǎn)的，并且聚脂薄膜介質(zhì)高頻響應特性與陶瓷或云母相比相差很遠，一般聚脂薄膜介質(zhì)都具有吸附效應，它會降低電容器的工作頻率，聚脂薄膜電容工作頻率范圍大約都在1MHz 左右，超過1MHz 其阻抗將顯著增加。 因此，為抑制電子設(shè)備產(chǎn)生的傳導干擾，除了選用Y 電容和X 電容之外，還要同時選用多個類型的電感濾波器，組合起來一起濾除干擾。電感濾波器多屬于低通濾波器，但電感濾波器也有很多規(guī)格類型，例如有：差模、共模，以及高頻、低頻等。每種電感主要都是針對某一小段頻率的干擾信號濾除而起作用，對其它頻率的干擾信號的濾除效果不大。通常，電感量很大的電感，其線圈匝數(shù)較多，那么電感的分布電容也很大。高頻干擾信號將通過分布電容旁路掉。而且，導磁率很高的磁芯，其工作頻率則較低。目前，大量使用的電感濾波器磁芯的工作頻率大多數(shù)都在75MHz 以下。對于工作頻率要求比較高的場合，必須選用高頻環(huán)形磁芯，高頻環(huán)形磁芯導磁率一般都不高，但漏感特別小，比如，非晶合金磁芯，坡莫合金等。