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电容的基础知识

2016 年 07 月 08 日 • 阅读: 804 • 折腾

初中、高中多多少少学过有些关于电容的知识,知道它是一个储能元器件,可以充放电。作为一名硬件工程师,知道这些肯定不够,所以下文整理了课本上以及网络上对于电容的介绍,别看一个简简单单的电容,需要把它研究透彻还是需要下功夫的。如果存在错误的地方,欢迎批评指正。

一、电容的种类

说到电容,大家都会想到那个圆柱形的,长长的,蓝色的,就如同下面这种。


其实电容的种类有很多,下面就简单的介绍一下。

1、电解电容

电容容量范围为0.1uF–22000uF,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。
维基百科链接:Electrolytic capacitor

2、薄膜电容

电容容量范围为0.1pF–10uF,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。
维基百科链接:Film capacitor

3、钽电容

电容容量范围为2.2uF–560uF,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。
维基百科链接:Tantalum capacitor

4、陶瓷电容

电容容量范围为0.5pF–100uF,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。
维基百科链接:Ceramic capacitor

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。
维基百科链接:Super capacitor

二、电容的作用

作为RLC无源器件之一的电容,它的作用还是比较多的。

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、去耦

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供一条低阻抗泄放路径。高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是0.1uF0.01uF等,而去耦合电容一般比较大,是10uF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1uF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的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,电容越小高频越容易通过。具体用在滤波中,大电容1000uF滤低频,小电容20pF滤高频。

曾有网友将滤波电容比作“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 000uF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。

三、电容的常用公式

每次遇到需要计算的时候都会忘记公式,这里就仔细的列一列一些基本常用的公式。

这里要感谢mathjax对Hexo的大力支持!使用mathjax输入公式,需要简单的学习一下LATEX的语法,可以见文章末尾附件。

1、容量

电容元件是由具有一定间隙,中间充有绝缘介质的两块金属板构成。当在电容元件两端外加电压u时,两块金属板上分别聚集等量异性电荷q,从而形成电场。如果电荷q与所加电压u之间是线性函数关系,则称为线性电容,用C表示,其数学表达式为:
$$
C= \frac{q}{u}
$$
式中,C为正值常数,是表征电容元件聚集电荷能力的物理量。其单位为法拉,简称法(F)。当电容较小时,常以微法(uF)和皮法(pF)为单位,有: $ 1uF=10^{-6}F $ ,$ 1pF=10^{-12}F $ 。

2、容抗

$$
X_c= \frac{1}{2πfC}
$$

3、电容器的线性充电量

$$
I=C \frac{dV}{dt}
$$

4、相位角 Ф

理想电容器:超前当前电压 90º
理想电感器:滞后当前电压 90º
理想电阻器:与当前电压的相位相同

5、耗散系数 (%)

$$
D.F. = tan δ (损耗角)= \frac{ESR}{X_c}
$$

6、品质因素

$$
Q = cotan δ = \frac{1}{DF}
$$

7、等效串联电阻ESR(欧姆)

$$
ESR = DF * X_c = \frac{DF}{2πfC}
$$

8、串联时的容值

n个电容串联:$\frac{1}{C_T} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + … + \frac{1}{C_n}$

两个电容串联:$C_T = \frac{C_1*C_2 }{C_1+C_2}$

9、并联时的容值

$$
C_T = C_1 + C_2 + …. + C_n
$$

10、谐振

$$
f_0 = \frac{1}{2π\sqrt{LC}}
$$

四、电容的选型

在展峻的笔记中,可以找到选择一颗电容需要考虑以下七个方面,当然,我们只需要抓住重点就行。

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,又无捷径可寻呢?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(ΔC<±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(ΔC<+20%~-80%),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。

五、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度的工作温度;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。

六、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0.01μF0.1μF 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。

七、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。

八、村田制作所

村田提供陶瓷电容器、高分子铝电解电容器、微调电容器、超级电容、单层微片电容器、可变电容器等各种电容器。

村田的官网上可以非常方便的查看电容的各种参数,以及使用一些设计辅助工具。

如特性阻抗,温度特性,S参数等。

1、特性阻抗

2、温度特性

3、S参数

好了,目前就先总结这么多,以后如果学到其他东西会再补充进来。

附件:一份不太简短的 LATEX2ε 介绍

标签: 电容, s参数
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