实验室新生成长指南[2.4.2] · 无源器件之电容

欢迎进入《实验室新生成长指南》第四章:《元器件》

本篇是《实验室新生成长指南》第二章第四节第二篇:《无源器件之电容》

整个2·4节将帮助新手快速建立对电子元器件的初步认知,熟悉和掌握它们的基本特性。

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[2.4.2] · 无源器件之电容

电容的电学特性

I=C*dV/dt,所以电容两端电压不会突变。同时另一个重要特性是高中就学过的“隔直通交”。

另外W=1/2CU^2,表征了电容的储能能力。

电容的常见用途

退耦与滤波

储能

耦合

电容的基本分类

电解液铝电解电容

原理与结构

优点
  • 便宜大碗
  • 技术成熟
缺点
  • 使用中会因为高温等导致电解液干涸而失效
  • 存在极性,反接会爆炸

聚合物铝电解电容

原理与结构
优点
  • 寿命比电解液铝电解高出许多
  • ESR和ESL基本仅次于MLCC,和固态钽电容基本持平。
缺点
  • 非常贵

钽电解电容

原理与结构

优点
缺点
  • ESR比较高,非功率型号一般在0.5Ω-2Ω之间
  • 容易失效,然后引起爆炸起火

聚合物钽电解电容

原理与结构
优点
  • ESR、ESL
  • 相对于传统的钽电容,只需要降额20%甚至10%使用
  • 不容易失效
缺点

薄膜电容

原理与结构

以金属箔当电极,将其和塑料薄膜从两端重叠后,卷绕成圆筒状的电容器。也有在塑料薄膜上以真空蒸镀上一层很薄的金属以做为电极的(现在比较常见)。

常见有以下几种介质膜:

  • PP膜
  • PET膜
  • PEN膜
  • PPS膜
  • PTFE膜
优点
  • 相对于传统的钽电容,只需要降额20%甚至10%使用
  • 无极性
  • 绝缘阻抗很高
  • 频率特性优异(频率响应宽广)
  • 介质损失很小
缺点
  • 体积庞大,电容值做不高

陶瓷电容

原理与结构

优点
  • ESR最低
  • ESL最低
  • 成本较低
  • 单位体积电容值大
缺点
  • 温度敏感
  • 存在DC bias时会损失一部分容值
  • 比较脆弱,机械应力和错误的焊接都有可能导致失效

超级电容

原理与结构

优点
  • 相对于传统的钽电容,只需要降额20%甚至10%使用
缺点
  • 耐压不高

电容的常见封装形式

直插

直插电解比较常见,一般命名就是直径+高度,脚距一般是2.54mm的整数倍.

贴片

  • MLCC
    • 和贴片电阻一样,常用的是0603/0805/1210
  • 贴片钽电容
    • 常见的分成A、B、C、D、E五种,对应的括号内是EIA标准的命名法
      • A型(3216)
      • B型(3528)
      • C型(6032)
      • D型(7343)
      • E型(7845)
  • 贴片电解电容/贴片固态电容
    • 贴片电解一般就是把普通电解的引脚压扁再折成90°,所以圆柱状本体和直插电解是一样的大小。

其他特殊封装

电容在实际应用中的考量

在大部分工程中,我们需要根据具体的工程选用合适的电容。因为电容最常用的用途是用作滤波电容,所以我以在电源设计中的电容的挑选做举例。

在电源设计时,我们需要考虑以下几点:

  • 电容值
    • 实际可采购的通用电容器。
    • 决定滤波效果的主要因素。
  • 实际机械尺寸
    • 高度限制。
    • 占地面积限制。
  • 电压等级
    • 一般需要对电容的额定电压做降额处理。
  • 等效串联电阻(ESR)
    • 影响电容的滤波效果。
    • 决定电容的发热。
  • 等效串联电感(ESL)
    • 影响电容在高频下的性能表现。
  • 峰值和RMS电流额定值
    • 一般也需要降额处理,与发热和寿命有关。
  • 初始容差和老化效应
    • 一般的电容初始容差在±20%左右,日系电容一般是精准的-20%,美系电容不好说,早期的牌子有+200%容差的。
    • 电解液电容在长期使用过程中会发生电解液干涸等现象,会导致电容值下降。
  • 温度限制
    • 一般MLCC因为自身发热小,没有硬性要求规定工作温度外,其他电容都会在高温下有一定的性能损失和加速老化。
    • MLCC视具体材质存在温漂。
  • 最大dV/dt等级
    • I=C*dV/dt,还是决定了电容的脉冲充放电性能。
  • 失效机制
    • 钽电容失效后会着火。
    • 液体铝电解在电解液变干后会因为容值变小导致RMS电流变大,加剧发热和老化。容值变小也会影响其滤波效果。
    • MLCC会因为电气应力、机械应力、不当的焊接等失效,一般表现为开裂和开路,有时候外观不会有明显的变化,在查找问题时需要额外注意。
  • 成本
    • 老板会杀人。

当然在系统设计时,我们还需要考虑以下几点:

  • BOM复用
    • 同一电容的多次使用可以方便生产,降低成本。
  • 产品配置
    • 高配用五个并联,低配用三个,精准的刀法会让老板更开心。
  • 冗余
    • 考虑到失效的风险,做好冗余,可以大大延长产品寿命,减少不必要的返修。
  • 产品寿命
    • 电容失效是最简单的控制产品寿命的办法。
    • 过保就坏,老板最爱。

电容的常见容值与精度

容值

常见的就是1、1.5、2.2、3.3、4.7、5.6、6.8为基数的电容。

精度

一般是正负20%,氪金也有±10%、±5%,部分小容值的MLCC也有±0.25pF和±0.5pF的。

了起

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