实验室新生成长指南[2.4.2] · 无源器件之电容

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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

• 贵
• 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

• 贵

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：

• 纸
• 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

• 贵
• 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

• 贵
• 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

略

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。