電容的選擇 - 電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)關(guān)鍵元器件篇（一）：電容

　　九、電容的選擇

　　通常，應(yīng)該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢？筆者認(rèn)為，應(yīng)基于以下幾點(diǎn)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(jí)；

　　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(shí)，電容作為器件的外圍元件，幾乎每個(gè)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(shuō)，據(jù)此可以獲得基本的器件選擇要求，然后再進(jìn)一步完善細(xì)化之。

　　其實(shí)選用電容時(shí)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(shí)間的改變而改變，適用于對(duì)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(shí)間改變時(shí)性能的變化并不顯著（ΔC 《 ±10%）。適用于隔直、偶合、旁路與對(duì)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（ΔC 《 +20% ～ -80%），容量﹑損耗對(duì)溫度、電壓等測(cè)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(chǎng)合。

　　十、多層陶瓷電容（MLCC）

　　對(duì)于電容而言，小型化和高容量是永恒不變的發(fā)展趨勢(shì)。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(yīng)用極為廣泛，但近年來(lái)數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步對(duì)其提出了新要求。例如，手機(jī)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(duì)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(hù)設(shè)計(jì)。

　　也就是說(shuō)，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(duì)電壓的依賴，優(yōu)化直流偏置電壓特性。

　　應(yīng)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(biāo)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(hào)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(biāo)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(wú)繩電話、藍(lán)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(shí)器電路等。

　　十一、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?yàn)殂g電容的介質(zhì)為陽(yáng)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(rèn)為鉭電容性能比鋁電容好。

　　但這種憑陽(yáng)極判斷電容性能的方法已經(jīng)過(guò)時(shí)了，目前決定電解電容性能的關(guān)鍵并不在于陽(yáng)極，而在于電解質(zhì)，也就是陰極。因?yàn)椴煌年帢O和不同的陽(yáng)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(yáng)極的電容由于電解質(zhì)的不同，性能可以差距很大，總之陽(yáng)極對(duì)于電容性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陰極。

　　還有一種看法是認(rèn)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(shí)也能提升不少。

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

　　---以上引用了部分網(wǎng)友的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

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

　　一般來(lái)說(shuō)，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(gè)電容是用在濾波器電路（比如中心為50Hz 的帶通濾波器）的話，要注意容量變化后對(duì)濾波器性能（通帶。。。）的影響。

　　十二、旁路電容的應(yīng)用問題

　　嵌入式設(shè)計(jì)中，要求 MCU 從耗電量很大的處理密集型工作模式進(jìn)入耗電量很少的空閑/休眠模式。這些轉(zhuǎn)換很容易引起線路損耗的急劇增加，增加的速率很高，達(dá)到20A/ms 甚至更快。

　　通常采用旁路電容來(lái)解決穩(wěn)壓器無(wú)法適應(yīng)系統(tǒng)中高速器件引起的負(fù)載變化，以確保電源輸出的穩(wěn)定性及良好的瞬態(tài)響應(yīng)。旁路電容是為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)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(guò)大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過(guò)大電流毛刺時(shí)的電壓降。

　　應(yīng)該明白，大容量和小容量的旁路電容都可能是必需的，有的甚至是多個(gè)陶瓷電容和鉭電容。這樣的組合能夠解決上述負(fù)載電流或許為階梯變化所帶來(lái)的問題，而且還能提供足夠的去耦以抑制電壓和電流毛刺。在負(fù)載變化非常劇烈的情況下，則需要三個(gè)或更多不同容量的電容，以保證在穩(wěn)壓器穩(wěn)壓前提供足夠的電流。快速的瞬態(tài)過(guò)程由高頻小容量電容來(lái)抑制，中速的瞬態(tài)過(guò)程由低頻大容量來(lái)抑制，剩下則交給穩(wěn)壓器完成了。

　　還應(yīng)記住一點(diǎn)，穩(wěn)壓器也要求電容盡量靠近電壓輸出端。

　　十三、電容的等效串聯(lián)電阻ESR

　　普遍的觀點(diǎn)是：一個(gè)等效串聯(lián)電阻（ESR）很小的相對(duì)較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時(shí)的峰值（紋波）電流。但是，有時(shí)這樣的選擇容易引起穩(wěn)壓器（特別是線性穩(wěn)壓器 LDO）的不穩(wěn)定，所以必須合理選擇小容量和大容量電容的容值。永遠(yuǎn)記住，穩(wěn)壓器就是一個(gè)放大器，放大器可能出現(xiàn)的各種情況它都會(huì)出現(xiàn)。

　　由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，輸出去耦電容在負(fù)載階躍的初始階段起主導(dǎo)的作用，因此需要額外大容量的電容來(lái)減緩相對(duì)于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的快速轉(zhuǎn)換，同時(shí)用高頻電容減緩相對(duì)于大電容的快速變換。通常，大容量電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)該選擇為合適的值，以便使輸出電壓的峰值和毛刺在器件的Dasheet 規(guī)定之內(nèi)。

　　高頻轉(zhuǎn)換中，小容量電容在 0.01μF 到0.1μF 量級(jí)就能很好滿足要求。表貼陶瓷電容或者多層陶瓷電容（MLCC）具有更小的 ESR。另外，在這些容值下，它們的體積和 BOM 成本都比較合理。如果局部低頻去耦不充分，則從低頻向高頻轉(zhuǎn)換時(shí)將引起輸入電壓降低。電壓下降過(guò)程可能持續(xù)數(shù)毫秒，時(shí)間長(zhǎng)短主要取決于穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)增益和提供較大負(fù)載電流的時(shí)間。

　　用 ESR 大的電容并聯(lián)比用 ESR 恰好那么低的單個(gè)電容當(dāng)然更具成本效益。然而，這需要你在 PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。

　　十四、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(gè)電容來(lái)抑制EMI 傳導(dǎo)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)，以防引起電子設(shè)備漏電或機(jī)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(jī)器，要求對(duì)地漏電電流不能超過(guò)0.7mA；工作在溫帶機(jī)器，要求對(duì)地漏電電流不能超過(guò)0.35mA。因此，Y 電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^(guò)4700pF。

　　特別提示：Y 電容為安全電容，必須取得安全檢測(cè)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。Y 電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V 或AC275V 字樣，但其真正的直流耐壓高達(dá)5000V 以上。因此，Y 電容不能隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V，或DC400V之類的普通電容來(lái)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(gè)電容連接的位置也比較關(guān)鍵，同樣需要符合安全標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)安全電阻，用于防止電源線拔插時(shí)，由于該電容的充放電過(guò)程而致電源線插頭長(zhǎng)時(shí)間帶電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)正在工作之中的機(jī)器電源線被拔掉時(shí)，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?lái)額定工作電壓的30%。

　　同理，X 電容也是安全電容，必須取得安全檢測(cè)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。X 電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V 或AC275V 字樣，但其真正的直流耐壓高達(dá)2000V 以上，使用的時(shí)候不要隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V，或DC400V 之類的普通電容來(lái)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(yīng)較小。普通電容紋波電流的指標(biāo)都很低，動(dòng)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(biāo)也是難以滿足要求的。

　　實(shí)際上，僅僅依賴于Y 電容和X 電容來(lái)完全濾除掉傳導(dǎo)干擾信號(hào)是不太可能的。因?yàn)楦蓴_信號(hào)的頻譜非常寬，基本覆蓋了幾十KHz 到幾百M(fèi)Hz，甚至上千MHz 的頻率范圍。通常，對(duì)低端干擾信號(hào)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(duì)高端干擾信號(hào)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?yàn)樗怯镁砝@工藝生產(chǎn)的，并且聚脂薄膜介質(zhì)高頻響應(yīng)特性與陶瓷或云母相比相差很遠(yuǎn)，一般聚脂薄膜介質(zhì)都具有吸附效應(yīng)，它會(huì)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(guò)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(dǎo)干擾，除了選用Y 電容和X 電容之外，還要同時(shí)選用多個(gè)類型的電感濾波器，組合起來(lái)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(duì)某一小段頻率的干擾信號(hào)濾除而起作用，對(duì)其它率的干擾信號(hào)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(hào)將通過(guò)分布電容旁路掉。而且，導(dǎo)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(duì)于工作頻率要求比較高的場(chǎng)合，必須選用高頻環(huán)形磁芯，高頻環(huán)形磁芯導(dǎo)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。