片式電容器的一般電性能及參數(shù)介紹

片式電容器的一般電性能

在交變電壓的作用下，電容器并不是以單純的電容形式出現(xiàn)，它除了具有電容量以外，還存在一定和電感和電阻。在頻率較低時，它們的影響很小可以不予考慮；隨著工作頻率的得高，電感和電阻的影響不能忽視，嚴(yán)重時可能會使電容器失去作用。
因此，我們一般用四個主要的參數(shù)來衡量片式電容的一般電性能：電容量（Capacitance）、損耗角正切（Dissipation Factor）、絕緣電阻(Insulation Resistance)、耐電壓(Dielectric Withstanding Voltage)。
一、電容量（C）
電容量的大小表示電容器貯存電荷的能力。一般用HP電橋測試。兩層平行金屬極板中的陶瓷介質(zhì)為什么能貯存電荷能？這是因為陶瓷介質(zhì)具有一種特殊的物理特性：電極化（簡稱極化）。從電學(xué)的角度來看，一般導(dǎo)體，例如金屬和電解質(zhì)，其原子和分子對周圍電子的束縛力很小，我們稱這些電子為自由電子（或叫自由電荷）。在電場的作用下，自由電子將沿電場力的方向作定向運(yùn)動，形成電流。但在陶瓷介質(zhì)中，原子、分子中正負(fù)電荷卻以其價健或離子健的形式存在，相互間強(qiáng)烈地束縛著，我們稱之為束縛電荷。在電場的作用下，這些正負(fù)電荷只能作微觀尺度上相對位移。由于電荷的相對位移，在原子、分子中就產(chǎn)生了感應(yīng)偶極矩，我們稱之為極化。在外電場的作用下，偶極分子將沿電場方向定向偏轉(zhuǎn)，從而在陶瓷介質(zhì)的表面形成相應(yīng)的感應(yīng)電荷。從而電荷就被貯存在電容器中。

圖4-片式電容器的極化圖
電容量的單位是法拉，但在實際應(yīng)用中法拉的單位太大，一般采用毫法（mF），微法（uF），納法（nF）和皮法（pF）。它們之間的關(guān)系如下：
1F = 103mF = 106uF = 109nF = 1012pF
片式電容器的電容量除了由它本身的設(shè)計與材料特性所決定外，在很大程度下同它的測試條件、溫度、電壓和頻率有很大的關(guān)系。對于Ⅰ類電容器（COG），其電性能受上述因素的影響相對較小，但對于Ⅱ類電容器（X7R、Z5U、Y5V），其電性能受上述因素的影響相對較大。
1、 電容量與溫度的關(guān)系
溫度是影響電容器電容量的一個重要因素，我們把電容量同溫度的這種關(guān)系特性叫收電容器的溫度特性(Temperature Coefficient)。一般說來，對于較為穩(wěn)定的Ⅰ類電容器，其影響相對較小，幾乎沒有變化，故我們用PPM/℃來表示它的容量變化率；對于Ⅱ類電容器，其影響相對較大，故我們用”％”來表示它的容量變化率。

2、 電容量與直流電壓的關(guān)系
在電路的實際應(yīng)用中，電容器兩端可能要放加一個直流電壓，我們把電容器的這種情況下的特性叫做直流偏壓特性。目前直流偏壓特性較好的材料有BX。這種材料是在通過對X7R材料改性而得來。另外也可以通過增加介質(zhì)厚度的方法，取得較好的電容器偏壓特性。

電壓/密爾介質(zhì)厚度
圖7-偏壓與電容量變化率的關(guān)系
從圖可以看出，對于一個X7R和BX材質(zhì)的產(chǎn)品來說，介質(zhì)厚度基本正比于偏壓特性。比如，相同容量（100nF）的一個產(chǎn)品，三種不同的介質(zhì)厚度設(shè)計就有三種不同的偏壓特性，介質(zhì)厚度越厚，產(chǎn)品的偏壓特性就越好。

3、 電容量與交流電壓的關(guān)系
同樣，Ⅰ類電容器的交流特性比較好，基本不隨施加電壓的變化而變化。但是，對于Ⅱ類電容器，其容量基本是隨所加電壓的升高而加速遞升的，特別X7R此特性比較明顯。

在日常的測試中，我們一般是1.0±0.2V做為電容量與損耗角正切的測試電壓，電壓較低，因此，對于同一容量采用不同的介質(zhì)厚度設(shè)計，最終所表現(xiàn)出來的容量值不會有太大的差異。但是，隨著工作電路中交流電壓的不同，這種差異會較為明顯。

4、 電容量與工作頻率的關(guān)系
對于Ⅰ類電容器其應(yīng)用頻率的增加，它的容值不會有什么變化，但對于Ⅱ類電容器，容值下降較為明顯?，F(xiàn)舉例如下：

圖9-電容量與頻率的關(guān)系曲線圖

二、絕緣電阻（ＩＲ）；
完全不導(dǎo)電的絕緣體是沒有的。在電介質(zhì)中通常或多或少存在正、負(fù)離子，這些離子在電場作用下將定向遷移，形成離子電流，我們稱之為體內(nèi)漏電流。通常，在電容器的表面，也會或多或少地存在正負(fù)離子，這些離子在外電場的作用下，會發(fā)生定向遷移，形成表面漏電流。因此，電容器的漏電流是陶瓷介質(zhì)中體內(nèi)漏電流與芯片表面的漏電流兩部分組成。我們把加在介質(zhì)兩端的電壓和漏電流之比稱之為介質(zhì)的絕緣電阻。
Ｒ＝Ｕ／Ｉ
由上可知，電容器的絕緣電阻等于表面絕緣電阻與體內(nèi)絕緣電阻相并聯(lián)而成。因此，電容器的絕緣電阻除了同其本身所固所介質(zhì)特性外，同外界環(huán)境溫度、濕度等有很大的關(guān)系。
溫度對絕緣電阻的影響主要表現(xiàn)在溫度升高時，瓷介的自由離子增多，漏電流急劇增加，介質(zhì)絕緣電阻迅速降低。但防潮不好的小容量電容器表面漏電流較大，隨著溫度的升高，表面潮氣蒸發(fā)，表面絕緣電阻上升。
濕度對電容器電性能影響最大，會因表面吸潮使表面絕緣電阻下降。
三、損耗（ＤＦ）和品質(zhì)因數(shù)（Q）
在外加電壓作用下，單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量，叫電容器的損耗。理想的電容器把從電源中得到的能量，全部貯存在電容器有介質(zhì)中，不發(fā)生任何形式的能量消耗，事實上電容器在外加電壓的作用下是要消耗能量的，介質(zhì)漏電流，緩慢極化（電偶極矩在電場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)），內(nèi)外電極金屬部位的等效電阻都會消耗一部分能量，形成電容器的損耗。過高的電容器損耗會產(chǎn)生熱量使電容器溫度升高，造成電路工作狀態(tài)不穩(wěn)定，加速電容器的老化。

電容器的好壞并不能單以電容器的消耗能量的多少來定論，因此，一般用電容器的損耗角正切來表示。電容器的損耗角正切是指在一定頻率的正弦電壓作用下，消耗在電阻上的有功功率和貯存在電容器中的無功功率的比值。因此，其是一個無單位的量。即：

介質(zhì)損耗同電容量一樣，在實際使用中同溫度、工作頻率、電容器兩端所加的電壓有很大的關(guān)系。
以1206B472K500NT和1812B223K500NT為例：

圖10-介質(zhì)損耗同溫度的關(guān)系

圖12-介質(zhì)損耗同頻率的關(guān)系

電容器的品質(zhì)因素（Q）和等效串聯(lián)電阻ESR：
在高頻電路中，由于頻率較高，電容器所測量出來的介質(zhì)損耗已經(jīng)很小,不便于參考。因此，為了更好地了解它的高頻特性，我們更關(guān)心的是它的品質(zhì)因素Q值和在高頻低下所表現(xiàn)出來的等效串聯(lián)電阻ESR（Equivalent Series Resistance）。

Q值就是介質(zhì)損耗DF的倒數(shù)。即：Q = 1/DF。隨著目前信號使用頻率的增高、功率的增加，高Q和超高Q的產(chǎn)品需求越來越多。同樣，Q值同ESR有著直接的關(guān)系，一般高Q即具備低ESR的特性。
在電容中所有損耗的總合叫做電容的等效串聯(lián)電阻ESR，一般它用毫歐姆來表示。ESR的損耗由介質(zhì)損耗(Rsd)和金屬損耗(Rsm)兩部分組成。ESR = Rsd + Rsm
金屬損耗（ Rsm）則取決于電容構(gòu)造中所有金屬性物質(zhì)的傳導(dǎo)特性。這包括內(nèi)電極，端電極等。
下面以一個容量值為22 pF的電容器所測得幾組數(shù)據(jù)為例：

由上表可知，介質(zhì)損耗在低頻率下是主要的，而在高頻時則很小，金屬損耗則與之相反。當(dāng)頻率越高時，金屬損耗就表現(xiàn)出”趨膚效應(yīng)”。現(xiàn)列舉我們市場上幾個產(chǎn)品容量段的Q值。

因此，在設(shè)計時，高頻下我們應(yīng)考慮ESR和Q值對電路設(shè)計的影響；低頻下應(yīng)考慮損耗(DF)對電路設(shè)計的影響。

四、耐電壓（DWV）
電容器的耐電壓性能就是指電容器的陶瓷介質(zhì)在工作狀態(tài)中能夠承受的最大電壓，即擊穿電壓，也就是電容器的極限電壓。電容器的標(biāo)稱電壓即電容器的工作電壓，標(biāo)稱電壓一般是相對于直流來說的。而電容器的耐電壓常規(guī)也是相對直流來說的，但有時也常用交流來表示。一般來說，電容器的標(biāo)稱電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其瓷介的耐電壓。因為，在實際的工作過程中，電容器除了兩端時時要承受的直流電壓外，另外常有脈沖交流電壓存在，而這個交流電壓的峰值常常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出工作過程中的直流電壓。因此，我們標(biāo)稱電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于芯片的耐電壓。比如，1206B102K101NT其標(biāo)稱電壓為100V，也就是其工作直流電壓要低于100V，而實際上其耐電壓直流可達(dá)1200V左右；交流可達(dá)500V左右。