电容

一、电容理论基础

1、电容的本质

两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。

两个相互靠近的金属板中间夹一层绝缘介质组成的器件，当两端存在电势差时，由于介质阻碍了电荷移动，电荷就积累在金属板上。衡量金属板上存储电荷的能力成为电容，相应的器件称为电容器。

2、电容量的大小

2.1、电容量的定义式

电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量的基本单位是法拉（F）。在电路图中通常用字母C表示电容元件。

$$C=\frac{Q}{U}$$

Q：电容器上所带的电荷量，单位为库伦（q）

U：电容器两端的电压差，单位为伏特（V）

C：电容器存储电荷的能力，单位为法拉（F）

2.2、电容量的决定式

一个电容器，如果带1库伦的电量时两级间的电势差是1伏特，这个电容器的电容就是1法拉，即C=Q/U。但电容的大小不是由带电量或电压决定的，即电容的决定式为：

$$C=\frac{{\epsilon }_{r}S}{4\pi kd}$$

${\epsilon }_r$：两极板间介质的介电常数，单位是法每米（F/m）

S：两极板间的正对面积，单位是平方米（m²）

k：静电常数，等于$8.987551\times 10^{9}N{\dot{m}}^2/C^2$

d:两极板间的距离，单位是米（m）

化简之后：

$$C=8.854\times \frac{{\epsilon }_{r}S}{d}(F)$$

想要增大电容容量，有三种方法：

1. 使用介电常数高的介质

2. 增大极板间的面积

3. 减小极板间的距离

3、电容的特点

电容器的本质就是充放电，在电路中起到隔直流通交流的作用。电容内部是绝缘物质，内部不会导通，通交流时利用了电容可以充放电的特点。从外部看来，感觉电容导通了。

隔直流：只充电，不放电。充满后无法放电，呈现断开状态。

通交流：循环充电与放电。按交流信号频率循环充放电，呈现导通状态。

4、电容的串并联

$$\frac{1}{C_{串}}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}$$

$$C_{串}=\frac{C_1\times C_2}{C_1+C_2}$$

$$C_{并}=C_1+C_2$$

5、电容器的用途

电容器的本质就是储能，充放电。

滤波电容、旁路电容、耦合电容、退耦电容、自举电容等。

6、电容实际的电路模型

---------电容（C）-----------等效串联电阻（ESR）------等效串联电感（ESL）--------
|–绝缘电阻（R）–|

电容作为基本元器件之一，实际生产的电容都不是理想的，会有寄生电感，等效串联电阻存在，同时因为电容两极板间的介质不是绝对绝缘的，因此存在数值较大的绝缘电阻。

二、电容器的选型

1、安装方式

陶瓷电容，铝电解电容、钽电解电容一般选择贴片的。安规电容一般是插件的。铝电解电容有时也选择直插的，为了降低成本。

2、电容值

在电路设计的过程中，需要根据我们的需求来确定容值。如：在每片芯片的供电电源上，我们通常会并联一个0.1uF的电容。几个芯片的供电电源上需要并联一个10uF的电容，作用是保证芯片的可持续供电和滤掉高频杂波得到平滑的电源。当线路上的电源还没达到芯片时，可由旁路的0.1uF电容对芯片进行供电，保证芯片的工作。

1. 计算取值：晶体振荡电路，LC滤波电容等，可以通过计算取值。

2. 手册取值：设计电路时，参考手册应用电路，按建议取值。

3. 经验取值：滤波电容，储能电容等，一般凭经验取值，再根据实际测试进行调整。

3、电容的类型

根据电路，合理选择电容类型。

• 按容值：一般小于10uF的，优先选择陶瓷电容。小于几百uF的，可以选择铝电解电容与钽电容。大于几百uF的，一般选择铝电解电容。

• 按环境温度：高温环境，一般选择陶瓷电容与钽电容，因为铝电解电容里面含有电解液，高温环境对其寿命影响较大。低温环境都可以选择。

4、耐压、封装

根据电路，确定电容耐压值，再选择封装。**封装越大，耐压越大。**耐压方面，陶瓷电容较好，钽电解电容较差（要求耐压为承受电压的两倍）。

例如：给5V电源滤波，可以选用10uF/6.3V的陶瓷电容。可以再加上100uF/6.3V的铝电解电容或47uF/10V的钽电解电容。

常见的陶瓷电容封装：0402、0603、0805、1206等。

常用的贴片铝电解电容封装（直径 * 高度）：55.5、6.37.7等。

常用的钽电解电容封装：A型、B型、C型、D型、E型等。

5、阻抗-频率特性

---------电容（C）-----------等效串联电阻（ESR）------等效串联电感（ESL）--------
|–绝缘电阻（R）–|

6、频率特性

村田普通电容谐振频率

型号参数	容值	谐振频率
50V_CH_0603	10pF	1.9GHz
50V_C0G_0603	100pF	700MHz
50V_X7R_0603	1nF	210MHz
50V_X7R_0603	10nF	70MHz
16V_X7R_0603	100nF	25MHz
16V_X7R_0603	1uF	9MHz
16V_X5R_0603	10uF	2MHz
6.3V_X5R_0805	47uF	850kHz

7、等效串联电阻ESR

村田普通电容ESR

参数型号	容量	最小ESR值
50V_CH_0603	10pF	200mΩ
50V_C0G_0603	100pF	130mΩ
50V_X7R_0603	1nF	380mΩ
50V_X7R_0603	10nF	60mΩ
16V_X7R_0603	100nF	20mΩ
16V_X7R_0603	1uF	8mΩ
16V_X5R_0603	10uF	3mΩ
6.3V_X5R_0805	47uF	1.8mΩ

电容数据手册上会有阻抗与频率的关系图。阻抗会在谐振频率处得到最小值。容值越大，谐振频率越小。

8、电容器的温度特性

不同类型的电容的工作温度范围是不同的、并且其容值随温度的变化也不同，相差非常大，如下表：

温度特性对照表

电容型号	工作温度范围	容值随温度变化值
C0G(NP0)	-55~125℃	0±30ppm/℃
X7R	-55~125℃	±15%
X6S	-55~105℃	±22%
X5R	-55~85℃	±15%
Y5U	-30~85℃	+22%/-56%
Y5V	-30~85℃	+22%/-82%
Z5U	10~85℃	+22%/-56%
Z5V	10~85℃	+22%/-82%

三、陶瓷电容器

1、陶瓷电容的结构

MLCC是片式多层陶瓷电容器的英文缩写。它是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极），从而形成一个类似独石的结构体，故也叫独石电容器。

2、陶瓷电容器的容量

常用陶瓷电容容量范围：0.5pF~100uF

pF级：0.5pF、1pF、2pF、3pF、4pF、5pF、6pF、7pF、8pF、9pF、10pF、11pF、12pF、13pF、15pF、16pF、17pF、18pF、19pF、20pF、21pF、22pF、23pF、24pF、27pF、30pF、33pF、36pF、39pF、43pF、47pF、51pF、56pF、62pF、68pF、75pF、82pF、91pF、100pF、120pF、150pF、180pF、220pF、270pF、330pF、390pF、470pF、560pF、680pF、820pF、910pF

nF级：1nF、1.2nF、1.5nF、1.8nF、2.2nF、2.7nF、3.3nF、3.9nF、4.7nF、5.6nF、6.8nF、8.2nF、10nF、12nF、15nF、18nF、22nF、27nF、33nF、39nF、47nF、56nF、68nF、82nF、100nF、120nF、220nF、330nF、470nF、680nF

uF级：1uF、2.2uF、4.7uF、10uF、22uF、47uF、100uF

3、陶瓷电容的耐压值

陶瓷电容常见的额定电压有：2.5V、4V、6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、450V、500V、630V、1kV、1.5kV、2kV、2.5kV、3kV等。

额定电压值与电容的两极板间的距离有关系，额定电压越大，一般距离就越大，否则介质会被击穿。因此，同等容量的电容，耐压值越高，一般封装会越大。

4、陶瓷电容器的类型

同介质种类的电容器，由于极化类型不同，其对电场变化的响应速度和极化率也不一样。在相同的封装下的容量就不同，随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。

介质材料按容量的温度稳定性可以分为两类：I类陶瓷电容器和II类陶瓷电容器。NP0属于I类陶瓷电容器，X7R、X5R、Y5V、Z5U等都属于II类陶瓷电容器。

类型	高介电常数型（II类）	温度补偿型（I类）
型号	X7R、X5R、Y5V、Z5U	CH、C0G（NP0）
主要原料	强介电材料钛酸钡	一般介电材料氧化钛（TiO2）；锆酸钙（CaZrO3）
介电常数	1000~20000	20~300左右
容量	容量大	容量较小
特征	相对介电常数会随着温度、电压的变化而变化，导致容量也会发生变化。静电容量会随时间变化	相对介电常数不会随着温度、电压的变化而变化，容量基本稳定。即使处于高温、高电力、高频率的环境中$tan\delta$（电容损耗）也很小，稳定性极佳。具有较高的Q值（1000~8000）

四、铝电解电容

1、铝电解电容的优缺点

优点：电容容量大，耐压好，价格便宜。

缺点：ESR大，耐温差。

2、铝电解电容的结构

为什么铝电解电容存在正负极，不能反接？

为什么耐压越高，封装越大？

铝箔是铝电解电容器的主要材料。将铝箔设置为阳极，在电解液中通电后，铝箔的表面会形成氧化膜（Al2O3），次氧化膜的功能为电介质。

氧化膜的特性：厚度与耐压成正比。介电常数为8~10。绝缘电阻与耐压成正比。正向电压（相当于二极管导体）会导致氧化铝被破坏。

3、铝电解电容器的损耗角

$$tan\delta =\frac{R}{\frac{1}{\omega C}}=\omega CR$$

C：电容量

R：电容的等效串联电阻，ESR

$\delta$：角频率

4、铝电解电容器的漏电流

漏电流是铝电解电容器的特性之一。当对其施加直流电压时，电解质氧化层允许很小的电流通过，这一部分电流称为漏电流。理想的电容器是不会产生漏电流的情况。实际上漏电流无法避免，且会一直存在，即使铝电解电容两端电压保持不变。漏电流会随时间而变化。如图所示，漏电流会随时间逐渐减小，最后趋近于一个稳定值。因此，漏电流的标称值为20℃下施加额定电压一段时间之后所测量的值。

当温度升高时，漏电流增加；温度降低，漏电流减少。施加的电压降低，漏电流也会减少。

五、钽电解电容

1、安规电容器的定义

安规电容器是指失效后不会导致电击、不会危及人身安全的电容器。

X电容：跨接在零线和火线之间的电容，如上图，主要用于差模滤波。

Y电容：零线与地之间的电容，火线与地之间的电容，如上图，主要用于共模滤波。

任何两根电源线或通信线上所存在的干扰，均可用共模干扰和差模干扰来表示。

共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。它定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差。

差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰。它定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。

在一般情况下，共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小。