從電容十說中了解電容

2020-12-08 電子產品世界

話說電容之一：電容的作用


作為無源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：
1、應用於電源電路，實現旁路、去藕、濾波和儲能的作用。下面分類詳述之：
1）旁路
旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩壓器的輸出均勻化，降低負載需求。 就像小型可充電電池樣，旁路電容能夠被充電，並向器件進行放電。 為儘量減少阻抗，旁路電容要儘量靠近負載器件的供電電源管腳和地
管腳。 這能夠很好地防止輸入值過大而導致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。
2）去藕
去藕，又稱解藕。 從電路來說， 總是可以區分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大， 驅動電路要把電容充電、放電， 才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時候， 電流比較大， 這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流，由於電路中的電感，電阻（特別是晶片管腳上的電感，會產生反彈），這種電流相對於正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作，這就是所謂的「耦合」。
去藕電容就是起到一個「電池」的作用，滿足驅動電路電流的變化，避免相互間的耦合幹擾。將旁路電容和去藕電容結合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關噪聲高一條低阻抗洩防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據諧振頻率一般取0.1µF、0.01µF 等；而去耦合電容的容量一般較大，可能是10µF 或者更大，依據電路中分布參數、以及驅動電流的變化大小來確定。
旁路是把輸入信號中的幹擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的幹擾作為濾除對象，防止幹擾信號返回電源。這應該是他們的本質區別。
3）濾波
從理論上（即假設電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實際上超過1µF 的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容並聯了一個小電
容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過，電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中,大電容（1000µF）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。曾有網友形象地將濾波電容比作「水塘」。由於電容的兩端電壓不會突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，可很形象的說電容像個水塘，不會因幾滴水的加入或蒸發而引起水量的變化。它把電壓的變動轉化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩衝了電壓。濾波就是充電，放電的過程。
4）儲能
儲能型電容器通過整流器收集電荷，並將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。 電壓額定值為40～450VDC、電容值在220～150 000µF 之間的鋁電解電容器（如EPCOS 公司的 B43504 或B43505）是較為常用的。根據不同的電源要求，器件有時會採用串聯、並聯或其組合的形式， 對於功率級超過10KW 的電源，通常採用體積較大的罐形螺旋端子電容器。
2、應用於信號電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數的作用：
1）耦合
舉個例子來講，電晶體放大器發射極有一個自給偏壓電阻，它同時又使信號產生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合， 這個電阻就是產生了耦合的元件，如果在這個電阻兩端並聯一個電容， 由於適當容量的電容器對交流信號
較小的阻抗，這樣就減小了電阻產生的耦合效應，故稱此電容為去耦電容。
2）振蕩/同步
包括RC、LC 振蕩器及晶體的負載電容都屬於這一範疇。
3）時間常數
這就是常見的 R、C 串聯構成的積分電路。當輸入信號電壓加在輸入端時，電容（C）上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻（R）、電容（C）的特性通過下面的公式描述：
i = (V / R)e - (t / CR)


話說電容之二：電容的選擇


通常，應該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢？筆者認為，應基於以
下幾點考慮：
1、靜電容量；
2、額定耐壓；
3、容值誤差；
4、直流偏壓下的電容變化量；
5、噪聲等級；
6、電容的類型；
7、電容的規格。
那麼，是否有捷徑可尋呢？其實，電容作為器件的外圍元件，幾乎每個器件的 Datasheet 或者 Solutions，都比較明確地指明了外圍元件的選擇參數，也就是說，據此可以獲得基本的器件選擇要求，然後再進一步完善細化之。其實選用電容時不僅僅是只看容量和封裝，具體要看產品所使用環境，特殊的電路必須用特殊的電容。

下面是 chip capacitor 根據電介質的介電常數分類， 介電常數直接影響電
路的穩定性。
NP0 or CH （K 150）： 電氣性能最穩定，基本上不隨溫度﹑電壓與時間的改變而改變，適用於對穩定性要求高的高頻電路。鑑於K 值較小，所以在0402、0603、0805 封裝下很難有大容量的電容。如 0603 一般最大的 10nF以下。X7R or YB （2000 K 4000）： 電氣性能較穩定,在溫度﹑電壓與時間改變時性能的變化並不顯著（∆C ±10%）。適用於隔直、偶合、旁路與對容量穩定性要求不太高的全頻鑑電路。Y5V or YF（K > 15000）： 容量穩定性較 X7R 差（∆C +20% ～ -80%），容量﹑損耗對溫度、電壓等測試條件較敏感，但由於其K 值較大，所以
適用於一些容值要求較高的場合。


話說電容之三：電容的分類


電容的分類方式及種類很多，基於電容的材料特性，其可分為以下幾大類：
1、鋁電解電容
電容容量範圍為0.1µF ～ 22000µF，高脈動電流、長壽命、大容量的不二
之選，廣泛應用於電源濾波、解藕等場合。
2、薄膜電容
電容容量範圍為0.1pF ～ 10µF，具有較小公差、較高容量穩定性及極低的
壓電效應，因此是X、Y 安全電容、EMI/EMC 的首選。
3、鉭電容
電容容量範圍為2.2µF ～ 560µF，低等效串聯電阻（ESR）、低等效串聯
電感（ESL）。脈動吸收、瞬態響應及噪聲抑制都優於鋁電解電容，是高穩定電
源的理想選擇。
4、陶瓷電容
電容容量範圍為0.5pF ～ 100µF，獨特的材料和薄膜技術的結晶，迎合了
當今「更輕、更薄、更節能「的設計理念。
5、超級電容
電容容量範圍為0.022F ～ 70F，極高的容值，因此又稱做「金電容」或者
「法拉電容」。主要特點是：超高容值、良好的充/放電特性，適合於電能存儲
和電源備份。缺點是耐壓較低，工作溫度範圍較窄。


話說電容之四：多層陶瓷電容（MLCC）


對於電容而言，小型化和高容量是永恆不變的發展趨勢。其中，要數多層陶瓷電容（MLCC）的發展最快。
多層陶瓷電容在便攜產品中廣泛應用極為廣泛，但近年來數字產品的技術進步對其提出了新要求。例如，手機要求更高的傳輸速率和更高的性能；基帶處理器要求高速度、低電壓；LCD 模塊要求低厚度（0.5mm）、大容量電容。 而汽車環境的苛刻性對多層陶瓷電容更有特殊的要求：首先是耐高溫，放置於其中的多層陶瓷電容必須能滿足150℃ 的工作溫度；其次是在電池電路上需要短路失效保護設計。
也就是說，小型化、高速度和高性能、耐高溫條件、高可靠性已成為陶瓷電容的關鍵特性。
陶瓷電容的容量隨直流偏置電壓的變化而變化。直流偏置電壓降低了介電常
數， 因此需要從材料方面，降低介電常數對電壓的依賴，優化直流偏置電壓特
性。
應用中較為常見的是 X7R（X5R）類多層陶瓷電容， 它的容量主要集中在
1000pF 以上，該類電容器主


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