基础元件介绍——电容（二）

　　电容器的作用

　　电容在电路中具有隔直流、通交流的作用，因此常用于级间耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐等用途。比如在音频电路中，如何更有效地选择使用不同类型的电容器对音响音质的改善有较大影响，电容通常起到滤波、耦合、旁路、分频等作用，其中，等效串联电阻（ESR）主要由电极的引线和连接发热产生；等效串联电感（ESL）则取决于电容的封装类型，表面贴封装及小型的SMD封装的ESL比较好；漏电阻（RLEAK）则与电介质的类型密切相关。

　　在电路设计中电容的用途非常多，主要有如下几种：

　　1.旁路和去耦：根据互动百科的定义，对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling，也称退耦）电容是把输出信号的干扰作为滤除对象。

　　旁路电容是电源抗噪的道防线。通过储存电荷抑制电压降并在有电压尖峰产生时放电，旁路电容消除了电源电压的波动。旁路电容为电源建立了一个对地低阻抗通道，在很宽频率范围内都具有抗噪功能。

　　大电容可作为低频和大电流电路的旁路，而小电容则作为高频旁路，采用多个电容源于与实际电容相关的寄生参数。电容的等效电路的模型随着封装类型的不同而改变，其中主要参数是等效串联电感（ESL）。封装越小，串联寄生参数就越小。在一些宽频系统中，需要并联多个电容。旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源引脚，距离电源引脚越远就等同于增加串联电感，这样会降低旁路电容的自谐振频率，电容接地一端需要通过印刷电路板（PCB）上的过孔或者宽地线连接到地平面，以保持低阻抗。在一些宽频系统中，因为有多个频率耦合到电源线路，只用单电容旁路是不够的，需要并联多个电容。

　　在旁路电容的选择上还需注意，大电流和高频率情况必须选择合适的旁路电容以处理不同速度和大小的瞬变，应尽量减小寄生参数。此外，电路布局对确保旁路质量十分关键，旁路电容必须放置在尽可能靠近IC 引脚的地方，以尽量减小附加的ESR 和ESL。

　　2.  耦合：通常，在电路中用来传送信号的电容称为耦合电容。作为两个电路之间的连接，它允许交流信号通过并传输到下电路。耦合电容的容量一般在0.1μF～1μF之间，以使用云母、 丙烯、陶瓷等损耗较小的电容效果较好。

　　3.  温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响进行补偿，以改善电路的稳定性。

　　4.计时：电容器与电阻器配合使用，可确定定时电路的时间常数。

　　5.调谐：在与频率相关的电路中，电容可起到系统调谐的作用，比如手机、收音机、电视机中的调谐电路。

　　6.整流：在预定的时间内开或者关闭导体开关元件。

　　7.储能：电容用来储存电能并在必须的时候释放电量。例如照相机的闪光灯、新能源设备中的储能设备等。现在，随着技术的进步，电容的储能水平已经接近锂电池的水准，甚至一个电容储存的电能可供一部手机使用一天。又比如，在风能、太阳能等新能源领域，电容的储能作用日益重要。

　　电容器的选择

　　前面的文章已经讨论过电容的种类，常用的电容有钽电解、铝电解、独石、薄膜、陶瓷、纸介质电容等多种类型。封装形式多种多样，有贴片、针式、方块、不规则等多种形状。电容的应用领域广泛，常用在去耦、滤波、高频、低频、谐振、开关电源等电路中。那么，工程师在实际应用中应如何选择合适的电容呢？ 总体来说，电容器选型时有7个主要参数需考虑，实际应用中可能不会将全部参数列为必选项。

　　1.容量与误差：实际容量和标称容量允许的偏差范围。一般使用的容量误差有：J级±5%，K级±10%，M级±20%。精密电容器的允许误差较小，电解电容器的误差较大，它们采用不同的误差等级。

　　2.额定工作电压：电容器在电路中能够长期稳定、可靠工作，所承受的直流电压，又称耐压。对于结构、介质、容量相同的器件，耐压越高，体积越大。

　　3.温度系数：在一定温度范围内，温度每变化1℃，容量的相对变化值。温度系数越小越好。

　　4.绝缘电阻：用来表明电容漏电大小。一般小容量的电容，绝缘电阻很大，约在几百兆欧姆或几千兆欧姆。电解电容的绝缘电阻一通常较小。相对而言，绝缘电阻越大越好，漏电也小。

　　5.损耗：在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量。这些损耗主要来自介质损耗和金属损耗。通常用损耗角正切值来表示。

　　6.频率特性：电容器的电参数随电场频率而变化的性质。在高频条件下工作的电容器，由于介电常数在高频时比低频时小，电容量也相应减小，损耗也随频率的升高而增加。另外，在高频工作时，电容器的分布参数，如极片电阻、引线和极片间的电阻、极片的自身电感、引线电感等，都会影响到电容器的性能。

　　下面就常用的几种电容的选型考虑加以说明。

　　独石电容：独石电容的特点是电容量大、体积小、可靠性高、电容量稳定，耐高温耐湿性好等，广泛应用于电子精密仪器以及各种小型电子设备，用作谐振、耦合、滤波、旁路等。容量范围大多在0.5PF～1μF之间。通常意义而言，独石电容的温度系数可能相对较高。

　　MLCC（片状多层陶瓷电容）：现在已经成为电子电路中常用的元件之一。MLCC的材质有很多种，每种材质都有自身的独特性能和特点。只有了解各种材质电容的特点，所选用的电容才能满足电路的要求。MLCC常见的有C0G（也称NP0）材质、X7R材质和Y5V材质。C0G的工作温度范围和温度系数，在-55℃～+125℃的工作温度范围内温度系数为±30ppm/℃；X7R次之，在-55℃～+125℃的工作温度范围内时容量变化为±15%；Y5V的工作温度仅为-30℃～+85℃，在这个工作温度范围内时其容量变化可达-22%～+82%。当然，C0G、X7R、Y5V的成本也是依次减低的。在选型时，如果对工作温度和温度系数要求很低，可以考虑用Y5V，但是一般情况下需要用X7R，要求更高时必须选择COG。一般情况下，MLCC厂家都设计成使X7R、Y5V材质的电容在常温附近的容量，随着温度上升或下降，其容量都会下降。

　　由于C0G、X7R、Y5V介质的介电常数是依次减少的，所以，同样的尺寸和耐压下，能够做出来的容量也是依次减少的，选型时切记不要选择不存在的规格。比如设计中需要0603/C0G/25V/3300pF的电容，但是0603/C0G/25V的MLCC一般只做到1000pF，这就需要工程师仔细阅读厂家的选型手册。

　　铝电解电容：铝电解电容器是以经过蚀刻的高纯度铝箔作为阳极，以浸有电解液的薄纸或布做阴极构成的极性电容器。其优点是容量大、耐压高、价格便宜。缺点是漏电流大、误差大、稳定性不好，寿命随温度的升高下降很快。电子元件技术网通过调查工程师在铝电解选型和应用中碰到的问题提出，在选择铝电解电容时，要关注耐压、容量、温度和尺寸几个参数，也要注意铝电解电容对整个电路稳定性的影响。

　　铝电解电容本体上标有的容量和耐压，这两个参数是选用电容时基本的内容。在实际电容选型中，对电流变化节奏快的地方要用容量较大的电容，但并非容量越大越好。首先，容量增大，成本和体积可能会上升，另外，电容越大充电电流就越大，充电时间也会越长。这些都是实际应用选型中要考虑的。额定工作电压是指在规定的工作温度范围内，电容长期可靠地工作，能承受的直流电压。在交流电路中，要注意所加的交流电压值不能超过电容的直流工作电压值。常用的固定电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。在滤波电路中，电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。另外还要注意的一个问题是工作电压裕量的问题，一般来说要在15％以上。例如某电容的额定电压是50v，虽然涌浪电压可能高至63v，但一般只会施加42v电压。让电容器的额定电压具有较多的富裕度，能降低内阻、降低漏电流、降低损失角、增加寿命。虽然说48v的工作电压使用50v的铝电解电容短时间不会出现问题，但使用久了，电容的寿命就会降低。

　　钽电容：电子元件技术网的BBS上有一篇有关钽电容选型的帖子，经网站同意这里摘录部分内容。目前钽电容主要品牌有：AVX、KEMET、VISHAY、NEC、NICHICON等。市场上的钽电容分为黄钽和黑钽两种，其中黄钽品牌主要是AVX和 KEMET ，黑钽主要品牌有NEC、NICHICON。简单来说，黑钽是开模将钽粉压成型，而黄钽是在表面用聚氧树脂包裹而成。由于生产工艺的原因，黑钽的内部空间没有得到有效的利用，所以黄钽的容量会比黑钽要大，也就是说有些黄钽能做到的规格型号，黑钽做不了。AVX的钽电容主要有TAJ、TPS、TPM、TCJ、TLJ、THJ、TRJ、TAC、TLC等系列，常用的是TAJ系列，TPS系列是低阻抗系列。钽电容的尺寸有A、B、C、D、E、V、R、S、T、P、W、X、Y 共计13种。电容的耐压一般指在85℃时额定直流电压，钽电容的耐压范围介于2.5V～50V之间。从市场应用角度划分，AVX在军用和民用市场上的占有量都很大。在普通电容的市场，AVX无论品质还是市场占有量都，但价格AVX可能要比其他产品高一些。至于VISHAY，其钽电容大多用于军工，其普通钽电容市场占有量比较少。

　　今天，电容技术在朝着两个不同的方向发展。一方面，便携式电子设备的小型化发展趋势对电子元器件的尺寸有了更高的要求，0201封装电容已经实现批量生产。另一方面，新能源技术的发展让人们对有储能功能的电容有了新的认识，超级电容在近两年大有风起云涌之势。在一些经常进行充放电操作的场合超级电容的应用不断深入，据悉业界已有数家公司开始考虑将超级电容用作锂离子电池的一种良好补充设备；在消费电子产品中，如数码相机的闪光灯，这种需要瞬间大能量输入的设备也将是超级电容的另一应用场景。虽然世界上有能力设计制造超级电容产品所需材料和电解质的公司仅限于少数几家公司，我们有理由相信，电容这个我们从中学就开始学习的基础元器件，随着技术的进步和新应用的出现，未来将会有更多超出我们想象的应用前景。