电容的基本性质、种类和功能分析

电容知识：性质、分类、作用详解

电容基本性质

电容电路符号如下图所示，

并具有如下性质，

上式的意义是，在一个具有C法拉的电容两端跨接V伏大的电压时，该电容的一个极板上就有Q库仑的电荷存储，而在另一个极板上也有Q库仑的电荷存储。

取上面电容定义式的导数，可以得到，

由上式可知，流过电容的电流并不与电压成比例，而是与电压关于时间的变化率成比例。

如果按1V/s的速率改变加在1F电容两端的电压，就相当于要供给其1A的电流。相反地，如果提供1A的电流，那么电容的电压按1V/s变化。由此看来，1F的电容是非常大的。

电容的并联与串联
几个电容的并联值是这些单个电容值之和。这点很容易证明，
令并联两端的电压为V，则有

即有

对于电容串联，求其总等效电容值的关系式，

RC电路，随时间变化的V与I

RC电路如下图

根据上述电容公式，得到，

以上得到的是一个微分方程，它的解是，

因此，一个已充电的电容与电阻并联之后将放电，放电曲线如下图，

时间常数

上式中的RC乘积称为电路的时间常数，如果R的单位是欧姆，C的单位为法拉，那么RC乘积的单位为秒。

下图显示了一个稍微不同的电路

在t=0时刻，电路接上电源。然后，关于这个电路的方程是，

它的解是

上式中的常数A是由初始条件t=0处V=0来确定的，就是开关没闭合前电容两端的电压V，代入上式中，因此A=Vi，便有，

充电曲线如下图，

衰减至平衡状态

最终当t>>5RC，V升至Vi(常用 5RC经验准则， 在5倍的时间常数内，一个电容充电或放电至最终值的1%范围内)。

对于任意的Vi(t):

电容的分类

电容的种类有很多，但电路设计中常用的电容主要有陶瓷电容，Ceramic capacitor、钽电容，Tantalum和铝电解电容，Aluminum Eletrolytic Capacitor。

陶瓷电容及其应用要点

平常见的最多的陶瓷电容是MLCC，Multilayers ceramic capacitor电容，内部结构如图，

优势是体积小、价格低、稳定性好，但容量小。目前常用的陶瓷电容，其容值小的可以到几十皮法，大的可以到几十微法。

陶瓷电容分为I类瓷介电容和II类瓷介电容：

I类:C0G、NP0(数字，但一般习惯写出NPO。特点是容量稳定性好，基本不随温度、电压、时间的变化而变化，但容量一般较小，温度特性，55℃ ~125℃ 。

II类: X7R、X5R、X7S、Y5V 等。容量稳定性较差，但容量相对较大。

符号的含义如下表，

NPO 是温度补偿型陶瓷电容，是电容量最稳定的一种陶瓷电容。工作温度范围为55℃~+125℃，可以认为在这个范围内，电容量基本保持不变。

X7R 表示工作温度范围为55℃~+125℃，温度稳定性为+/15%的陶瓷电容。

X5R 表示工作温度范围为55℃~+85℃，温度稳定性为+/15%的陶瓷电容。

有效容值

对于X7R /X5R和Y5V这三种类型的陶瓷电容，标称电容值都是在环境温度25℃/工作电压等于0V时得到的值。

如果环境温度和工作电压发生变化，则有效容值将会发生变化。

例如额定电压10V/标称值22uF的Y5V电容，理想状态，即工作电压0V，环境温度25℃下，有效值为标称值，22uF。

如果保持其环境温度为25℃不变，仅改变工作电压，当工作电压为5V时，有效电容值为4.4uF,当工作电压达到额定电压10V时，有效电容值仅为2.2uF。不同材质的电容随直流偏置电压变化曲线也不一样。

钽电容及其应用要点

钽电容使用金属钽作为介质，基于钽的固态特质，具有温度特性好、ESL值小、高频滤波性能好、体积小、节省PCB面积、容值较大等特点。因此，钽电容一般被应用在需要较大容量电容滤波的场合。

缺点是耐电压和耐电流的能力较弱，一般要求钽电容的工作电压相对额定电压降额50%以上。

遇到以下三种场合之一，钽电容的额定电压需要降额70%以上使用，1负载呈现较强感性，2串联电阻小，3瞬变电流较大；

其原因在于，感性负载或者较小的串联电阻会导致较大的瞬变电流，造成钽电容的金属钽介质被击穿。如，老化测试、系统开机上电瞬间、单板热拔插瞬间，钽电容失效概率增大。

一般而言，容值越大的钽电容，其ESR值往往越小，ESR相当于电容器件的串联电阻，串联电阻越小越容易造成钽电容失效。因此在应用中需要注意，对于大容量的钽电容，更需要电压降额。

从成本上来说，钽电容的价格正比于容值和额定电压的乘积。在使用大容量的钽电容时，还需要增加电压降额的比例，这势必造成成本的上升。

因而在设计中，往往将若干小容值的钽电容并联以提供和大容量钽电容相同的容量。这样做既有利于设计的可靠性，也有利于成本的降低。

需要注意，工作瞬间电流较大的场合，钽电容并不一定会发生永久失效。钽电容本身有较好的自愈能力，只要外界环境的影响在一定范围之内，钽电容都能自我恢复。

铝电解电容及其应用要点

铝电解电容使用电解液作为介质，外壳的铝制圆筒作为负极，内部插入一块金属板作为正极。

铝电解电容容量大，耐压高，但温度稳定性差，精度差，高频滤波性能差，仅使用于低频滤波。

上面提到钽电容不适用于较大瞬变电流的场合，而在这种场合下，就需要用到铝电解电容。

铝电解电容的电压降额要求至少为20%。

铝电解电容一般都是插装式，因此ESR/ESL值都比较大，同时由于采用液体作为介质，在极高温和极低温环境下，性能也极不稳定。

低温下ESR相对常温大很多，

从产品的长期稳定性来说，铝电解电容也可能成为隐患。因为随着产品使用时间的增加，铝电解电容内部的电解液将逐渐干涸，容量逐渐减少，ESR逐渐增大，滤波效果减弱。

电容的作用

1.电容的作用之一，电荷缓冲池

器件工作时电源的负载时动态的，即运行器件的电流和功耗时不断变化的，为了保证器件工作的电压不随电流和功耗的剧烈变化而同程度变化，我们希望器件的电压尽量稳定。

在这种情况下，需要为器件提供一个缓冲池，以便当外界环境剧烈变化时，器件的工作能够保持相对稳定。

电容的本质是储存电荷和释放电荷，根据公式，

Δ U =Δ Q/C

Δ U 表示电容两端电压的变化量

Δ Q 表示电容两端电荷的变化量

C为电容容值

当运行器件电流变化时，Δ Q=Δ Ixt,即电荷Q需求不断变化,根据上述公式可知， 通过电容电荷变化来减少电压的变化，电压变化幅度Δ U与电容容值有关，从而保持器件工作电压的稳定。

因此，电容的作用之一就是电荷缓冲池，保持工作电压的稳定。

2.电容作用之二，高频噪声的重要泄放通路

对于高速运行的电路而言，无时无刻不存在状态的转变。比如芯片内部开关管状态切换。

这种高速的转变将在电路上产生大量的噪声等干扰。从频谱上看，这些干扰在相当大程度上处于有效的2次/3次等倍频频率。在电源传输路径上，需要将这些干扰泄放到相对稳定的地平面上，以免影响器件的工作。

根据 Z=1/j ω C)，当频率较高时，电容表现为低阻抗，因此，可将电容作为高频噪声的重要泄放通路。

3.电容的作用之三，实现交流耦合

当两个器件通过高速信号互连时，信号两端的器件可能对直流分量有不同的要求。

例如，A和B两个器件之间通过高速差分对信号互连，但A器件工作于1.8V，B器件工作于3.3V，则A器件驱动的差分对信号将携带1.8V直流分量，导致信号到达接收端B器件时无法被识别，

对于这种情况，需要将信号所携带的发送端的直流分量在达到接收端前滤除掉，即隔离信号两边器件的直流分量。

基于电容的通交流，阻直流的天然特性，电容具有这种隔离功能(交流耦合AC couple 和直流隔离 DC Blocking)。

文章出处：【微信公众号：KIA半导体】

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