十说电容

话说电容之一: 话说电容之一:电容的作用

作为无源元件之一的电容,其作用不外乎以下几种: 1、应用于电源电路,实现旁路、去藕、滤波和储能的作用。下面分类详述之: 1)旁路 ) 旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件,它能使稳压器的输出均匀化, 降低负载需求。 就像小型可充电电池一样,旁路电容能够被充电,并向器件进 行放电。 为尽量减少阻抗,旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地 管脚。 这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地弹是地连 接处在通过大电流毛刺时的电压降。 2)去藕 ) 去藕,又称解藕。 从电路来说, 总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。 如果负载电容比较大, 驱动电路要把电容充电、放电, 才能完成信号的跳变, 在上升沿比较陡峭的时候, 电流比较大, 这样驱动的电流就会吸收很大的电源 电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这 种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作,这就 是所谓的“耦合”。 去藕电容就是起到一个“电池”的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相 互间的耦合干扰。将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去 藕合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗 泄防途径。高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般取 0.1?F、0.01?F 等; 而去耦合电容的容量一般较大,可能是 10?F 或者更大,依据电路中分布参数、 以及驱动电流的变化大小来确定。 旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象,而去耦是把输出信号的干扰作为 滤除对象,防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。 3)滤波 ) 从理论上(即假设电容为纯电容)说,电容越大,阻抗越小,通过的频率也 越高。但实际上超过 1?F 的电容大多为电解电容,有很大的电感成份,所以频 率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电

容,这时大电容通低频,小电容通高频。电容的作用就是通高阻低,通高频阻低 频。电容越大低频越容易通过,电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中,大 电容(1000?F)滤低频,小电容(20pF)滤高频。曾有网友形象地将滤波电容比作“水 塘”。由于电容的两端电压不会突变,由此可知,信号频率越高则衰减越大,可很形象 的说电容像个水塘,不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转 化为电流的变化,频率越高,峰值电流就越大,从而缓冲了电压。滤波就是充电,放电 的过程。 4)储能 ) 储能型电容器通过整流器收集电荷,并将存储的能量通过变换器引线传送至 电源的输出端。 电压额定值为 40~450VDC、电容值在 220~150 000?F 之间 的铝电解电容器(如 EPCOS 公司的 B43504 或 B43505)是较为常用的。根据 不同的电源要求,器件有时会采用串联、并联或其组合的形式, 对于功率级超 过 10KW 的电源,通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。 2、应用于信号电路,主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用: 1)耦合 举个例子来讲,晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻,它同时又使信号 产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合, 这个电阻就是产生了耦合的 元件,如果在这个电阻两端并联一个电容, 由于适当容量的电容器对交流信号 较小的阻抗,这样就减小了电阻产生的耦合效应,故称此电容为去耦电容。 2)振荡/同步 包括 RC、LC 振荡器及晶体的负载电容都属于这一范畴。 3)时间常数 这就是常见的 R、C 串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时, 电容(C)上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通 过电阻(R)、电容(C)的特性通过下面的公式描述: i = (V / R)e - (t / CR)

话说电容之二: 话说电容之二:电容的选择

通常,应该如何为我们的电路选择一颗合适的电容呢?笔者认为,应基于以 下几点考虑: 1、静电容量; 2、额定耐压; 3、容值误差; 4、直流偏压下的电容变化量; 5、噪声等级; 6、电容的类型; 7、电容的规格。 那么,是否有捷径可寻呢?其实,电容作为器件的外围元件,几乎每个器件 的 Datasheet 或者 Solutions,都比较明确地指明了外围元件的选择参数,也 就是说,据此可以获得基本的器件选择要求,然后再进一步完善细化之。 其实选用电容时不仅仅是只看容量和封装,具体要看产品所使用环境,特殊 的电路必须用特殊的电容。

下面是 chip capacitor 根据电介质的介电常数分类, 介电常数直接影响电 路的稳定性。 NP0 or CH (K < 150): 电气性能最稳定,基本上不随温度﹑电压与时 间的改变而改变,适用于对稳定性要求高的高频电路。鉴于 K 值较小,所以在 0402、0603、0805 封装下很难有大容量的电容。如 0603 一般最大的 10nF 以下。X7R or YB (2000 < K < 4000): 电气性能较稳定,在温度﹑电压与时 间改变时性能的变化并不显著(?C < ±10%)。适用于隔直、偶合、旁路与对 容量稳定性要求不太高的全频鉴电路。 Y5V or YF(K > 15000): 容量稳定性较 X7R 差(?C < +20% ~ -8 0%),容量﹑损耗对温度、电压等测试条件较敏感,但由于其 K 值较大,所以 适用于一些容值要求较高的场合。

话说电容之三: 话说电容之三:电容的分类

电容的分类方式及种类很多,基于电容的材料特性,其可分为以下几大类: 1、铝电解电容 、 电容容量范围为 0.1?F ~ 22000?F,高脉动电流、长寿命、大容量的不二 之选,广泛应用于电源滤波、解藕等场合。 2、薄膜电容 、 电容容量范围为 0.1pF ~ 10?F,具有较小公差、较高容量稳定性及极低的 压电效应,因此是 X、Y 安全电容、EMI/EMC 的首选。 3、钽电容 、 电容容量范围为 2.2?F ~ 560?F,低等效串联电阻(ESR)、低等效串联 电感(ESL)。脉动吸收、瞬态响应及噪声抑制都优于铝电解电容,是高稳定电 源的理想选择。 4、陶瓷电容 、 电容容量范围为 0.5pF ~ 100?F,独特的材料和薄膜技术的结晶,迎合了 当今“更轻、更薄、更节能“的设计理念。 5、超级电容 、 电容容量范围为 0.022F ~ 70F,极高的容值,因此又称做“金电容”或者 “法拉电容”。主要特点是:超高容值、良好的充/放电特性,适合于电能存储 和电源备份。缺点是耐压较低,工作温度范围较窄。

话说电容之四:多层陶瓷电容( 话说电容之四:多层陶瓷电容(MLCC) )

对于电容而言,小型化和高容量是永恒不变的发展趋势。其中,要数多层陶 瓷电容(MLCC)的发展最快。 多层陶瓷电容在便携产品中广泛应用极为广泛,但近年来数字产品的技术进 步对其提出了新要求。例如,手机要求更高的传输速率和更高的性能;基带处理 器要求高速度、低电压;LCD 模块要求低厚度(0.5mm)、大容量电容。 而汽 车环境的苛刻性对多层陶瓷电容更有特殊的要求:首先是耐高温,放置于其中的

多层陶瓷电容必须能满足 150℃ 的工作温度;其次是在电池电路上需要短路失 效保护设计。 也就是说,小型化、高速度和高性能、耐高温条件、高可靠性已成为陶瓷电 容的关键特性。 陶瓷电容的容量随直流偏置电压的变化而变化。直流偏置电压降低了介电常 数, 因此需要从材料方面,降低介电常数对电压的依赖,优化直流偏置电压特 性。 应用中较为常见的是 X7R(X5R)类多层陶瓷电容, 它的容量主要集中在 1000pF 以上,该类电容器主要性能指标是等效串联电阻(ESR),在高波纹电 流的电源去耦、滤波及低频信号耦合电路的低功耗表现比较突出。 另一类多层陶瓷电容是 C0G 类,它的容量多在 1000pF 以下, 该类电容 器主要性能指标是损耗角正切值 tgδ(DF)。传统的贵金属电极(NME)的 C0G 产品 DF 值范围是 (2.0 ~ 8.0) × 10-4,而技术创新型贱金属电极(BME)的

C0G 产品 DF 值范围为 (1.0 ~ 2.5) × 10-4, 约是前者的 31 ~ 50%。 该 类产品在载有 T/R 模块电路的 GSM、CDMA、无绳电话、蓝牙、GPS 系统中 低功耗特性较为显著。较多用于各种高频电路,如振荡/同步器、定时器电路等。 话说电容之五:钽电容替代电解电容的误区 通常的看法是钽电容性能比铝电容好,因为钽电容的介质为阳极氧化后生成 的五氧化二钽,它的介电能力(通常用 ε 表示)比铝电容的三氧化二铝介质要高。 因此在同样容量的情况下,钽电容的体积能比铝电容做得更小。(电解电容的电 容量取决于介质的介电能力和体积,在容量一定的情况下,介电能力越高,体积 就可以做得越小,反之,体积就需要做得越大)再加上钽的性质比较稳定,所以 通常认为钽电容性能比铝电容好。 但这种凭阳极判断电容性能的方法已经过时了,目前决定电解电容性能的关 键并不在于阳极,而在于电解质,也就是阴极。因为不同的阴极和不同的阳极可 以组合成不同种类的电解电容,其性能也大不相同。采用同一种阳极的电容由于 电解质的不同,性能可以差距很大,总之阳极对于电容性能的影响远远小于阴极。 还有一种看法是认为钽电容比铝电容性能好,主要是由于钽加上二氧化锰阴

极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。如果把铝电解液电容的阴极更换为 二氧化锰, 那么它的性能其实也能提升不少。 可以肯定,ESR 是衡量一个电容特性的主要参数之一。 但是,选择电容, 应避免 ESR 越低越好,品质越高越好等误区。衡量一个产品,一定要全方位、 多角度的去考虑,切不可把电容的作用有意无意的夸大。 ---以上引用了部分网友的经验总结。 普通电解电容的结构是阳极和阴极和电解质,阳极是钝化铝,阴极是纯铝, 所以关键是在阳极和电解质。阳极的好坏关系着耐压电介系数等问题。 一般来说,钽电解电容的 ESR 要比同等容量同等耐压的铝电解电容小很多, 高频性能更好。如果那个电容是用在滤波器电路(比如中心为 50Hz 的带通滤波 器)的话,要注意容量变化后对滤波器性能(通带...)的影响。

话说电容之六: 话说电容之六:旁路电容的应用问题

嵌入式设计中,要求 MCU 从耗电量很大的处理密集型工作模式进入耗电量 很少的空闲/休眠模式。这些转换很容易引起线路损耗的急剧增加,增加的速率 很高,达到 20A/ms 甚至更快。通常采用旁路电容来解决稳压器无法适应系统中高速 器件引起的负载变化,以确保电源输出的稳定性及良好的瞬态响应。旁路电容是为本地 器件提供能量的储能器件,它能使稳压器的输出均匀化,降低负载需求。就像小型可充 电电池一样,旁路电容能够被充电,并向器件进行放电。为尽量减少阻抗,旁路电容要 尽 量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致 的地电位抬高和噪声。地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。 应该明白,大容量和小容量的旁路电容都可能是必需的,有的甚至是多个陶 瓷电容和钽电容。这样的组合能够解决上述负载电流或许为阶梯变化所带来的问 题,而且还能提供足够的去耦以抑制电压和电流毛刺。在负载变化非常剧烈的情 况下,则需要三个或更多不同容量的电容,以保证在稳压器稳压前提供足够的电 流。快速的瞬态过程由高频小容量电容来抑制,中速的瞬态过程由低频大容量来

抑制,剩下则交给稳压器完成了。 还应记住一点,稳压器也要求电容尽量靠近电压输出端。

话说电容之七: 话说电容之七:电容的等效串联电阻 ESR

普遍的观点是:一个等效串联电阻(ESR)很小的相对较大容量的外部电容 能很好地吸收快速转换时的峰值(纹波)电流。但是,有时这样的选择容易引起 稳压器(特别是线性稳压器 LDO)的不稳定,所以必须合理选择小容量和大容 量电容的容值。永远记住,稳压器就是一个放大器,放大器可能出现的各种情况 它都会出现。 由于 DC/DC 转换器的响应速度相对较慢,输出去耦电容在负载阶跃的初始 阶段起主导的作用,因此需要额外大容量的电容来减缓相对于 DC/DC 转换器 的快速转换,同时用高频电容减缓相对于大电容的快速变换。通常,大容量电容 的等效串联电阻应该选择为合适的值,以便使输出电压的峰值和毛刺在器件的 Dasheet 规定之内。

高频转换中,小容量电容在 0.01?F 到 0.1?F 量级就能很好满足要求。表 贴陶瓷电容或者多层陶瓷电容(MLCC)具有更小的 ESR。另外,在这些容值 下,它们的体积和 BOM 成本都比较合理。如果局部低频去耦不充分,则从低 频向高频转换时将引起输入电压降低。电压下降过程可能持续数毫秒,时间长短 主要取决于稳压器调节增益和提供较大负载电流的时间。 用 ESR 大的电容并联比用 ESR 恰好那么低的单个电容当然更具成本效 益。然而,这需要你在 PCB 面积、器件数目与成本之间寻求折衷。

话说电容之八: 话说电容之八:电解电容的电参数

这里的电解电容器主要指铝电解电容器,其基本的电参数包括下列五点:

1、电容值 电解电容器的容值,取决于在交流电压下工作时所呈现的阻抗。因此容值, 也就是交流电容值,随着工作频率、电压以及测量方法的变化而变化。在标准 JISC 5102 规定:铝电解电容的电容量的测量条件是在频率为 120Hz,最大交 流电压为 0.5Vrms,DC bias 电压为 1.5 ~ 2.0V 的条件下进行。可以断言, 铝电解电容器的容量随频率的增加而减小。 2、损耗角正切值 Tan δ 在电容器的等效电路中,串联等效电阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比称之为 Ta n δ, 这里的 ESR 是在 120Hz 下计算获得的值。显然,Tan δ 随着测量频率 的增加而变大,随测量温度的下降而增大。 3、阻抗 Z 在特定的频率下,阻碍交流电流通过的电阻即为所谓的阻抗(Z)。它与电 容等效电路中的电容值、电感值密切相关,且与 ESR 也有关系。 Z = √ [ESR2 + (XL - XC)2 ] 展峻的笔记 http://xabai.21ic.org 9 式中,XC = 1 / ωC = 1 / 2πfC XL = ωL = 2πfL 电容的容抗(XC)在低频率范围内随着频率的增加逐步减小,频率继续增加 达到中频范围时电抗(XL)降至 ESR 的值。当频率达到高频范围时感抗(XL) 变为主导,所以阻抗是随着频率的增加而增加。 4、漏电流 电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。然而,由于铝氧化膜介质上 浸有电解液,在施加电压时,重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小 的称之为漏电流的电流。通常,漏电流会随着温度和电压的升高而增大。 5、纹波电流和纹波电压 在一些资料中将此二者称做“涟波电流”和“涟波电压”,其实就是 ripple current,ripple voltage。 含义即为电容器所能耐受纹波电流/电压值。 它们和 ESR 之间的关系密切,可以用下面的式子表示:

Urms = Irms × R 式中,Vrms 表示纹波电压 Irms 表示纹波电流 R 表示电容的 ESR 由上可见,当纹波电流增大的时候,即使在 ESR 保持不变的情况下,涟波 电压也会成倍提高。换言之,当纹波电压增大时,纹波电流也随之增大,这也是 要求电容具备更低 ESR 值的原因。叠加入纹波电流后,由于电容内部的等效串 连电阻(ESR)引起发热,从而影响到电容器的使用寿命。一般的,纹波电流与 频率成正比,因此低频时纹波电流也比较低。 话说电容之九:电容器参数的基本公式 1、容量(法拉) 英制: C = ( 0.224 × K · A) / TD 公制: C = ( 0.0884 × K · A) / TD 2、电容器中存储的能量 E = ? CV2 3、电容器的线性充电量 I = C (dV/dt) 4、电容的总阻抗(欧姆) Z = √ [ RS 2 + (XC – XL)2 ] 5、容性电抗(欧姆) XC = 1/(2πfC) 6、相位角 Ф 理想电容器:超前当前电压 90? 理想电感器:滞后当前电压 90? 理想电阻器:与当前电压的相位相同 7、耗散系数 (%) D.F. = tan δ (损耗角) = ESR / XC

= (2πfC)(ESR) 8、品质因素 Q = cotan δ = 1/ DF 9、等效串联电阻 ESR(欧姆) ESR = (DF) XC = DF/ 2πfC 10、功率消耗 Power Loss = (2πfCV2) (DF) 11、功率因数 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、电容器的温度系数 T.C. = [ (Ct – C25) / C25 (Tt – 25) ] × 106 15、容量损耗(%) CD = [ (C1 – C2) / C1 ] × 100 16、陶瓷电容的可靠性 L0 / Lt = (Vt / V0) X (Tt / T0)Y 17、串联时的容值 n 个电容串联:1/CT = 1/C1 + 1/C2 + …. + 1/Cn 两个电容串联:CT = C1 · C2 / (C1 + C2) 18、并联时的容值 CT = C1 + C2 + …. + Cn 19、重复次数(Againg Rate) A.R. = % ?C / decade of time 上述公式中的符号说明如下: K = 介电常数 A = 面积

TD = 绝缘层厚度 V = 电压 t = 时间 RS = 串联电阻 f = 频率 L = 电感感性系数 δ = 损耗角 Ф = 相位角 L0 = 使用寿命 Lt = 试验寿命 Vt = 测试电压 V0 = 工作电压 Tt = 测试温度 T0 = 工作温度 X , Y = 电压与温度的效应指数。

话说电容之十: 话说电容之十:电源输入端的 X,Y 安全电容

在交流电源输入端,一般需要增加三个电容来抑制 EMI 传导干扰。 交流电源的输入一般可分为三根线:火线(L)/零线(N)/地线(G)。在 火线和地线之间及在零线和地线之间并接的电容,一般称之为 Y 电容。这两个 Y 电容连接的位置比较关键,必须需要符合相关安全标准,以防引起电子设备漏电 或机壳带电,容易危及人身安全及生命,所以它们都属于安全电容,要求电容值 不能偏大,而耐压必须较高。一般地,工作在亚热带的机器,要求对地漏电电流 不能超过 0.7mA;工作在温带机器,要求对地漏电电流不能超过 0.35mA。因此, Y 电容的总容量一般都不能超过 4700pF。 特别提示:Y 电容为安全电容,必须取得安全检测机构的认证。Y 电容的耐 压一般都标有安全认证标志和 AC250V 或 AC275V 字样,但其真正的直流耐压

高达 5000V 以上。因此,Y 电容不能随意使用标称耐压 AC250V,或 DC400V 之类的普通电容来代用。 在火线和零线抑制之间并联的电容,一般称之为 X 电容。由于这个电容连接 的位置也比较关键,同样需要符合安全标准。因此,X 电容同样也属于安全电容 之一。X 电容的容值允许比 Y 电容大,但必须在 X 电容的两端并联一个安全电 阻,用于防止电源线拔插时,由于该电容的充放电过程而致电源线插头长时间带 电。安全标准规定,当正在工作之中的机器电源线被拔掉时,在两秒钟内,电源 线插头两端带电的电压(或对地电位)必须小于原来额定工作电压的 30%。 同理,X 电容也是安全电容,必须取得安全检测机构的认证。X 电容的耐压 一般都标有安全认证标志和 AC250V 或 AC275V 字样,但其真正的直流耐压高 达 2000V 以上,使用的时候不要随意使用标称耐压 AC250V,或 DC400V 之类 的的普通电容来代用。 X 电容一般都选用纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容,这种电容体积一般都 很大,但其允许瞬间充放电的电流也很大,而其内阻相应较小。普通电容纹波电 流的指标都很低,动态内阻较高。用普通电容代替 X 电容,除了耐压条件不能 满足以外,一般纹波电流指标也是难以满足要求的。 实际上,仅仅依赖于 Y 电容和 X 电容来完全滤除掉传导干扰信号是不太可能 的。因为干扰信号的频谱非常宽,基本覆盖了几十 KHz 到几百 MHz,甚至上千 MHz 的频率范围。通常,对低端干扰信号的滤除需要很大容量的滤波电容,但 受到安全条件的限制,Y 电容和 X 电容的容量都不能用大;对高端干扰信号的滤 除,大容量电容的滤波性能又极差,特别是聚脂薄膜电容的高频性能一般都比较 差,因为它是用卷绕工艺生产的,并且聚脂薄膜介质高频响应特性与陶瓷或云母 相比相差很远,一般聚脂薄膜介质都具有吸附效应,它会降低电容器的工作频率, 聚脂薄膜电容工作频率范围大约都在 1MHz 左右,超过 1MHz 其阻抗将显著增 加。 因此,为抑制电子设备产生的传导干扰,除了选用 Y 电容和 X 电容之外,还 要同时选用多个类型的电感滤波器,组合起来一起滤除干扰。电感滤波器多属于 低通滤波器,但电感滤波器也有很多规格类型,例如有:差模、共模,以及高频、 低频等。每种电感主要都是针对某一小段频率的干扰信号滤除而起作用,对其它

频率的干扰信号的滤除效果不大。通常,电感量很大的电感,其线圈匝数较多, 那么电感的分布电容也很大。高频干扰信号将通过分布电容旁路掉。而且,导磁 率很高的磁芯,其工作频率则较低。目前,大量使用的电感滤波器磁芯的工作频 率大多数都在 75MHz 以下。对于工作频率要求比较高的场合,必须选用高频环 形磁芯,高频环形磁芯导磁率一般都不高,但漏感特别小,比如,非晶合金磁芯, 坡莫合金等。 转自 21IC.com

(本文引自 www.mcujl.com/article.asp?conID=70)


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