《模電想說愛你不容易》之無源器件篇：電容，隔直通交的藝術(shù)

硬小妹：“哎呀！李工，這顆鉭電容怎么炸了?。堪遄与娫凑?fù)極我沒有接反??？！”

油條李：“檢查下鉭電容的極性你是不是焊反了！”

硬小妹：“鉭電容絲印的橫杠不是負(fù)極嗎？”

油條李：“呵呵，年輕人，做事不能想當(dāng)然，萬事萬物總有特例的嘛！”

????相比電阻，電容給我們的感覺總是有那么一絲絲的神秘，讓人捉摸不透，這其中的主要原因還是因為電容具有“隔直通交”的特性，它不像電阻一樣具有線性特征，而是具有非線性特征。電容作為電子電路中常用的元器件，它有哪些特點和應(yīng)用注意事項呢？下面我們一起學(xué)習(xí)一下吧。

一、電容的類別

????隨著電子行業(yè)的發(fā)展，電容已有多種類型，其根據(jù)不同的分類方式可分為不同的類型：

根據(jù)電容生產(chǎn)加工材料的不同可分為多層片式陶瓷電容、引線陶瓷電容、鋁電解電容、固體電解質(zhì)鉭電容、圓片瓷片電容、厚膜網(wǎng)絡(luò)電容；根據(jù)電容應(yīng)用場景的不同可分為通用型陶瓷電容、車用電容、高頻電容、軟端電極電容、微型化電容、排容、低感值電容、工業(yè)用電容。

1.陶瓷電容：陶瓷電容具有良好的穩(wěn)定性、絕緣性、耐高壓性的特點，廣泛應(yīng)用于消費類、工業(yè)、家電等行業(yè)，但其容量一般較小。

2.鋁電解電容：鋁電解電容器每單位體積有較大的電容值，可達(dá)幾千uF甚至上萬uf;由于電解電容器的靜電電容大，使得它們特別適合于通過或繞過低頻率的信號，并儲存大量的能量。

3.鉭電容：鉭電容的電介質(zhì)為金屬鉭，而不是電解液，因此適合在高溫環(huán)境中使用，具有壽命長、精度高、濾波效果好的特點，但其價格相比鋁電解電容也是高昂的，另外，鉭電容的耐壓值低、容量小、耐電流沖擊性差，在使用時要注意降額使用。

4.導(dǎo)電聚合物電容：導(dǎo)電聚合物電容具有低ESR、低阻抗、大容量的特點，此外，靜電容量具有無直流偏置特性，溫度特性也十分穩(wěn)定，在紋波吸收、平滑和瞬態(tài)響應(yīng)方面具有極佳的性能。因此，十分適合用于平滑各種電路的輸入輸出電流，并可以作為備用裝置在CPU周邊設(shè)備的負(fù)載發(fā)生變化時使用，這將有助于減少元件數(shù)量、減小電路板的空間。

????以上幾種類型的電容是我們經(jīng)常使用的，它們的特性對比表如下圖所示：

圖源|村田官網(wǎng)

二、電容常見的品牌

????常見的電容品牌廠家主要有以下幾種：

1.村田

2.三星

3.TDK

4.國巨

5.風(fēng)華高科

6.華新科

7.太誘

8.基美

9.AVX

10.樓氏電子

????隨著電容技術(shù)的進(jìn)步，多層片式陶瓷電容MLCC成為主流的電容類型，其封裝尺寸可以做到0201、01005、008004，以適應(yīng)電子產(chǎn)品小型化的需求。在一些實際應(yīng)用當(dāng)中，MLCC電容以穩(wěn)定的性能、低廉的價格以及良好的體積逐漸替代了鋁電解電容。

三、陶瓷電容的分類

根據(jù)國際電工協(xié)會EIA RS-198標(biāo)準(zhǔn)，陶瓷電容根據(jù)其穩(wěn)定性可分為三大類：

Class I陶瓷電容：該類陶瓷電容穩(wěn)定性高、損耗低，具有溫度補(bǔ)償，可用于諧振電路；

Class II陶瓷電容：該類陶瓷電容具有較高的容量，但穩(wěn)定性較差，沒有溫度補(bǔ)償，可用于濾波、旁路、去耦和耦合等電路；

Class III陶瓷電容：該類陶瓷電容具有更高的容量，但穩(wěn)定性更差，用于電源電路中；

Class IV陶瓷電容：該類陶瓷電容是代表界限不再標(biāo)準(zhǔn)的電容器。

1.陶瓷電容的容值編碼

????貼片陶瓷電容的表面是沒有絲印字符的，而插件陶瓷電容的表面有絲印字符，該字符指示了電容的容值和精度，其中前三位數(shù)字代表了容值，最后一位字母代表了電容的精度，比如絲印字符104K，則表示電容的容量為10x10000pF = 100nF = 0.1uF，精度為10%，具體的精度字母代表的含義如下圖所示：

圖源|維基百科

2.陶瓷電容的溫度系數(shù)

????陶瓷電容的溫度系數(shù)由三個字符組成，不同類別的陶瓷電容字符的含義有所不同，Clas I類的陶瓷電容的前兩位字符表示電容的容值溫漂大小，單位為ppm/℃，最后一位字母表示容值誤差大小，此數(shù)據(jù)是在25~85攝氏度的條件下測到的，如下表所示：

圖源|維基百科

比如，陶瓷電容溫度系數(shù)標(biāo)識為C0G，則表示其溫漂為0x（-1）= 0 ppm/℃，誤差為正負(fù)30ppm/℃；標(biāo)識P3K，則表示其溫漂為1.5 x（-1000）=-1500ppm/℃，誤差為正負(fù)250ppm/℃。

Class II類陶瓷電容和Class III類陶瓷電容的溫度系數(shù)標(biāo)識的第一位表示工作溫度的下限，第二位表示工作溫度的上限，第三位表示容值精度，如下表所示：

圖源|維基百科

比如，陶瓷電容溫度系數(shù)標(biāo)識為X5R，則表示其工作溫度為-55~+85攝氏度，容差為正負(fù)15%；標(biāo)識Y5V，則表示其工作溫度為-30~+85攝氏度，容差為+22~-82%。

四、陶瓷電容的特性

????電容的參數(shù)是隨著電壓和頻率的變化而變化的，因此電容的參數(shù)都是在一定條件下測定的，下圖是三星公司的MLCC電容參數(shù)測試條件：

圖源|三星官網(wǎng)

????在實際電路應(yīng)用當(dāng)中，我們除了關(guān)注陶瓷電容的容值大小、封裝尺寸之外，還需要關(guān)注陶瓷電容的其他相關(guān)參數(shù)，下面就以三星公司的Class II類陶瓷電容型號CL21B104KBCNFN為例一起學(xué)習(xí)一下吧，該型號的具體參數(shù)為100nF，0805封裝，X7R，額定電壓50V。

1.耐壓值。陶瓷電容的最高耐壓值與其封裝大小有直接的關(guān)系，其封裝尺寸越大最高耐壓值也就越高，比如，1206封裝尺寸的陶瓷電容的耐壓值可達(dá)2000V；陶瓷電容常用的耐壓值有16V、25V、50V等等，另外，相同封裝尺寸的陶瓷電容也會有不同的耐壓值可供選擇。

2.損耗角正切（DF）。該參數(shù)表征的是電容能量損耗的大小，其計算公式為DF = 電容損耗能量/電容存儲能量，DF的值越小，代表電容越穩(wěn)定，越接近理想的電容。

3.品質(zhì)因子（Q）。在高頻電路中，由于頻率較高，電容的DF值較小，因此采用品質(zhì)因子來表征電容的高頻特性，即Q = 1/DF。

4.絕緣電阻（IR）。電容的絕緣電阻值受環(huán)境因素影響較大，特別是潮濕環(huán)境會極大影響其絕緣電阻的大小，因此應(yīng)注意產(chǎn)品的防潮處理。

5.直流電壓特性。Class I類陶瓷電容是比較穩(wěn)定的，其容值不會隨著直流電壓的變化而變化；而Class II、III類陶瓷電容的容值則會隨著直流電壓的變化而變化，直流電壓越接近電容的額定工作電壓其容值變化越大，因此在實際應(yīng)用當(dāng)中，我們要降額使用，一般不宜超過電容額定電壓的一半，電容CL21B104KBCNFN的直流電壓特性如下圖所示：

圖源|三星官網(wǎng)

6.交流電壓特性。Class I類陶瓷電容是比較穩(wěn)定的，其容值基本不會隨著施加的交流電壓的變化而變化；而Class II、III類陶瓷電容的容值則會隨著施加的交流電壓的變化而變化，電容CL21B104KBCNFN的交流電壓特性如下圖所示：

圖源|三星官網(wǎng)

7.等效電感。在高頻信號下，電容會表現(xiàn)出一定的電感特性，且電感量較小，一般為nH級別，電容CL21B104KBCNFN的等效電感特性如下圖所示，當(dāng)信號頻率為25Mhz左右時，等效電感量約為0.45nH。

圖源|三星官網(wǎng)

8.等效阻抗和等效串聯(lián)電阻。由于電容存在等效電感和等效串聯(lián)電阻，因此每個電容都會有一個諧振頻率點，電容值越大，其諧振頻率越?。浑娙葜翟叫?，其諧振頻率越大。電容CL21B104KBCNFN為100nF的電容，其諧振頻率點大約為25.7Mhz，此時電容的等效阻抗是最小的，大約為28.5mΩ，對該諧振頻率點附近的信號通過性是最佳的，這也就是電容濾波的基本原理。電容CL21B104KBCNFN的等效阻抗（紅線）和等效串聯(lián)電阻（藍(lán)線）如下圖所示：

圖源|三星官網(wǎng)

9.溫升。電容的溫升大小與信號的頻率和紋波電流是有關(guān)系的，頻率越低、紋波電流越大其溫升也就也大，電容CL21B104KBCNFN的溫升特性曲線如下圖所示，其中紅線是信號頻率100Khz，藍(lán)線是信號頻率500Khz，黃線是信號頻率1000Khz。

圖源|三星官網(wǎng)

五、電容的應(yīng)用及注意事項

????電容的種類多種多樣，不同類型的電容其作用也會有所差異，常見的電容應(yīng)用場景主要有以下幾種：

1.儲能。由于電解電容的能夠存儲的能量較大，故可以用來作為系統(tǒng)掉電后的備用電源，以保證系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)的完整性。

2.濾波。不同容值的電容對不同頻率信號的阻抗不同，通過選擇合適容值的電容可以將干擾信號、噪聲信號等過濾掉，以使電源更穩(wěn)定、信號更平滑。

3.耦合。利用電容隔直通交的特性，能夠有效濾除信號的直流分量而保留交流分量，使信號傳遞到下一級電路。

4.調(diào)諧。通過LC諧振電路能夠產(chǎn)生一定頻率的波形，而改變電容值的大小則可以改變諧振頻率的大小，以實現(xiàn)到我們需要的信號頻率。

5.延時。電容的充放電是具有一定時間的，容量越大其充放電時間也就越長，根據(jù)此原理可以實現(xiàn)簡單的電路延時功能。

6.失效分析。電容的失效主要包括開路、短路以及參數(shù)漂移三種類型，其中短路是我們常見的失效現(xiàn)象，特別是在電源電路應(yīng)用當(dāng)中，電容短路是非常危險的，極易引起發(fā)熱起火的事故，因此要做好電路板的防護(hù)以及電容參數(shù)的降額使用。

7.嘯叫分析。在MLCC電容應(yīng)用當(dāng)中有時會出現(xiàn)電容嘯叫的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為“電致伸縮”現(xiàn)象，此現(xiàn)象是由于MLCC電容的強(qiáng)介電陶瓷材料在電壓的作用下發(fā)生了機(jī)械變形，此形變是非常微小的，一般為1pm~1nm，該形變傳遞到了電路板上導(dǎo)致基板振動，如果此振動頻率剛好在人耳的可聽范圍之內(nèi)就能夠被我們聽到，就好像電容在嘯叫一樣。解決的辦法之一是更換低介電常數(shù)材料的電容，因為電容的介電常數(shù)越低，“電致伸縮”效應(yīng)也就越小。

????阻容器件作為電子電路的基礎(chǔ)元器件，串聯(lián)起了電路板的方方面面，進(jìn)而形成了龐大的電子世界；而電容就像一位神奇的魔法師，改變著信號的相位、波形、頻率，去除雜波，留取精華，把信號的使者送往遠(yuǎn)方，使其開花結(jié)果！