为什么需要那么多种电容

　　在电子电路的世界中，电容是使用量多的器件之一，我们日常经常接触到的电容类型有陶瓷电容、铝电解电容、钽电解电容。随着电路设计越来越多地以 MCU、CPU 为构建数字电路，周边的时钟、电源电路也变得日益复杂，因此这三种电容的应用更为广泛。
　　数字电路中，大量数字电路输出的 “0”“1” 翻转会产生对去耦电容的大量需求。例如，图中开关 Q 的不同位置代表了输出的 “0”“1” 两种状态。当电路状态转换，开关 Q 接通 RL 低电平，负载电容对地放电，随着负载电容电压下降，其积累的电荷流向地，在接地回路上形成一个大的电流浪涌。随着放电电流建立然后衰减，这一电流变化作用于接地引脚的电感 LG，会在芯片外的电路板 “地” 与芯片内的地之间形成一定的电压差，同样在电源端，每次信号翻转也会引入电压差。为了防止这种噪声向外传播，我们需要在靠近器件的电源管脚放置去耦电容。由于去耦电容一般对电容器的精度没有很严格要求，选用时可根据设计值，选用相近容量或容量接近的电容器即可。
　　实际的电容存在寄生电感与等效串联电阻，单个电容的 ESR、ESL 相近，其阻抗特性也相近。在这种场景下，我们需要一种具备特定特性的电容，即 1nF - 10uF 容量、精度要求不高，由于用量比较大（电源管脚较多），成本较低、相同容量情况下体积较小，且 ESR、ESL 比较小的电容，多层片陶瓷电容（MLCC）就非常合适。
　　电源系统的去耦设计原则是在需要考虑的频率范围内，使整个电源分配系统的阻抗。由于芯片特别是 CPU、FPGA、DSP 等多 IO、大功率芯片作为电路的，这些芯片的电源管脚较多，所以去耦电容的用量也较大。而且随着芯片速率的提高，接口电平降低，电路板上会有多种电压值的电源，如早期数字电路电源以 5V、3.3V 为主，现在则有 2.5V、1.8V、1.5V、1.1V、1.0V、0.9V 等可调可控电源，这使得开关电源的输入电容和输出电容也需要大量使用。
　　铝电解电容由于容量容易做大，耐压较高，所以电源的输入电容主要会选择铝电解电容，输出电容会选择铝电解电容和钽电容。铝电解电容的电容量为 0.47 - 10000u，额定电压为 6.3 - 450V，其主要特点是体积小、容量大、损耗大、漏电大、耐压比较高。早期，开关电源的输入电容和输出电容会使用铝电解电容，在对期望 ESR 比较小的场景会选择钽电解电容。然而，铝电解电容存在电解液会干涸、寿命比较短、ESR 比较大的问题，钽电解电容则有失效模式恐怖、会爆炸并可能引起燃烧的缺陷。
　　目前，随着 MLCC 的工艺持续发展，在一些小电流低电压的开关电源的输入、输出端会采用 MLCC 代替铝电解电容。不过，开关电源的输出端电容一般在 100uF 以上，陶瓷电容虽然标称值可以达到 100uF，但由于其温度稳定性差、电容值会随着直流电压的增大而增大，且输出端电容的容值很可能需要数百甚至数千 uF，使用陶瓷电容往往由于其单体容量有限，达不到滤波的效果。目前大量的固态钽电容、固态铝电容逐步替代铝电解电容和钽电解电容，它们相比铝电解电容寿命长、更可靠；相对 MnO2 钽电解电容来说，没有恐怖的失效模式，且更不容易失效；相对 MLCC 来说直流偏压特性更稳定、温度特性更稳定。但的问题是价格昂贵，目前一些利润比较高的行业已经逐步大量使用固态铝电解电容。由于钽元素相对比较稀缺，有可能耗尽，所以固体铝电容越来越多地被使用，不过其耐压和容量还需要进一步提升，仍有一个发展过程。但电容也会像 CPU 一样遵循类似摩尔定律的规律快速发展。
　　需要注意的是，固体电容也有弱点。固定电容实际使用的是高分子聚合物（Polymer），Polymer 钽电容比 MnO2 钽电容在热稳定性上稍微差一些。MnO2 钽电容不存在老化寿命的问题，而 Polymer 电容的退化机理主要是由于高分子有机体在高温下会分解导致导电率下降，可以算半失效。Polymer 钽电容在潮敏性能上不如 MnO2 钽电容，主要原因是阴极材料 Polymer 聚合物在特定温度下会与水和氧起作用而分解，导致容量、ESR 等特性下降甚至失效，因此会特别要求回流焊温度条件下，不能有潮气侵入。
　　以上所说的本质都是电源滤波，对于温度稳定性、精度其实都没有特别严格的要求，所以这些也是大家常用的几种电容。实际上，MLCC 并不只是应用于去耦电容或者电源滤波，在振荡器、谐振器的槽路电容以及高频电路中的耦合电容方面，普通的 X7R、X5R 普通特性的陶瓷电容已经不能满足要求，我们需要温度特性更好的陶瓷电容，带温度补偿的 C0G 电容器就适合用于这些场景。
　　模拟电路除了电源滤波、储能、去耦等场景之外，还有一个比较重要的应用就是信号滤波，交流耦合的本质就是一种信号滤波。在 RC、LC 滤波时，C 值的精度和稳定度就显得尤为重要，因为电容的容值会影响幅频特性、相频特性。在一些多通道信号的场景中，如相控阵雷达、声呐系统等，需要保证各个通道的信号相位一致性和稳定度，就需要地控制电容的容值。在时钟或者射频信号中，还需要振荡器、谐振器等，不但需要电容值稳定精准，还需要更好的 Q 值，这时无极性的钽电容、聚苯乙烯电容、高稳定度的陶瓷电容、云母电容就有了其特有的需求场景。
　　在设计电源（AC/DC）时，还需要使用安规电容，其需求是内阻小、耐压高。安规电容器是行业对抑制电源电磁干扰用固定电容器的俗称，因为该类电容符合安全规范、且通过安全规范测试，同时其本体印刷有多个国家的安全 LOGO 标志，故而称为安规电容器。此类电容在实际应用中的 “安规” 表现在：即使电容器失效后，也不会导致电击，不危及人身安全；此外，它采用阻燃材料制造，顶多会爆炸（只是炸裂，没有火产生，只产生气体），然后就是开路，不会导致火灾发生。聚脂薄膜类电容就符合这种场景的需求，通常 X 电容多选用纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容，这种类型的电容体积较大，但其允许瞬间充放电的电流也很大，而其内阻相应较小，普通电容纹波电流的指标都很低，动态内阻较高，用普通电容代替 X 电容，除了电容耐压无法满足标准之外，纹波电流指标也难以符合要求。
　　在电路设计过程中，由于不同的应用场景，需要不同容值、耐压、精度、温度稳定度、电压稳定度、Q 值、ESR、ESL 等参数，而一种工艺和材料的电容很难满足电路设计的各种场景，所以不断衍生出各种电容器。只不过数字电路的发展迅猛、而模拟电路相对逐步萎缩，所以很多电容种类已经不为硬件工程师所知。