电容知识点

学习记录

1.1 电容的定义

电容的本质：
两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。

 

电容量的大小：
电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量的基本单位是法拉(F)。

在电路图中通常用字母 C 表示电容元件。

电容量的大小公式：

 ：两极板间介质的介电常数
S：两极板间的正对面积
k：静电常数，等于 k=8.987551×10^9N·m^2/C^2
d：两极板间的距离
化简后的公式是： 

想使电容容量大，有三种方法：
①使用介电常数高的介质
②增大极板间的面积
③减小极板间的距离。 

1.2 陶瓷电容

 MLCC 陶瓷电容物理结构：

 MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）是片式多层陶瓷电容器英文缩写。是由印好电极（内电
极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极），从而形成一个类似独石的结构体，故也叫独石电容器。

 可以看到，内部电极通过一层层叠起来，来增大电容两极板的面积，从而增大电容量。
陶瓷介质即为内部填充介质，不同的介质做成的电容器的特性不同，有容量大的，有温度特性好的，有频率特性好的等等，这也是为什么陶瓷电容有这么多种类的原因。

陶瓷电容的基本参数：

电容的单位：
电容的基本单位是：F（法），此外还有 μF（微法）、nF、pF（皮法），由于电容 F 的容量非常大，所以我们看到的一般都是 μF、nF、pF 的单位，而不是 F 的单位。
它们之间的具体换算如下：
1F＝1000000μF
1μF=1000nF=1000 000pF

电容容量：
常用陶瓷电容容量范围：0.5pF~100uF。
实际生产的电容的陶瓷容量值也是离散的，常用电容容量如下表：

 陶瓷电容容量从 0.5pF 起步，可以做到 100uF，并且根据电容封装（尺寸）的不同，容量也会不同。
选购电容器不能一味的选择大容量，选择合适的才是正确的，例如 0402 电容可以做到 10uF/10V，0805 的电容可以做到 47uF/10V，但是为了好采购、成本低，一般都不会顶格选电容。
一般推荐 0402 选 4.7uF-6.3V，0603 选 22uF/6.3，0805 选 47uF/6.3V，其它更高耐压需要对应降低容量。
满足要求的情况下，选择主要就看是否常用，价格是否低廉。

额定电压：
陶瓷电容常见的额定电压有：2.5V、4V、6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、
250V、450V、500V、630V、1KV、1.5KV、2KV、2.5KV、3KV 等等。
额定电压值与电容的两极板间的距离有关系，额定电压越大，一般距离就要更大，否则介质会被击
穿。因此，这就导致了同等容量的电容，耐压值高的，一般尺寸会更大。
电容器的外加电压不得超过规范中规定的额定电压，实际在电路设计中，一般选用电容时，都会让额定电压留有大概 70%的裕量。

电容类型：
同介质种类由于它的主要极化类型不一样，其对电场变化的响应速度和极化率亦不一样。 在相同的体积下的容量就不同，随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。介质材料划按容量的温度稳定性可以分为两类，即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器， NPO 属于Ⅰ类陶瓷，而其他的 X7R、X5R、Y5V、Z5U 等都属于Ⅱ类陶瓷。

MLCC 陶瓷电容主要分为 2 大类：高节介电常数型和温度补偿型

 

 电容品牌：
国外：村田 muRata、松下 PANASONIC、三星 SAMSUNG、太诱 TAIYO YUDEN、TDK、威世
VISHAY、等等。
国内：国巨 YAGEO(中国台湾)、风华 FH、宇阳科技 EYANG、信昌电陶 PSA、三环 CCTC 等等。

电容实际电路模型：
电容作为基本元器件之一，实际生产的电容都不是理想的，会有寄生电感，等效串联电阻存在，同时因为电容两极板间的介质不是绝对绝缘的，因此存在数值较大的绝缘电阻。
所以，实际的电容模型等下如下图：

 阻抗-频率特性：

 

 某村田 10uF 电容的阻抗频率曲线如下图：

 注意，这个坐标系是对数坐标系，纵轴为复阻抗的模。

谐振频率：
从上小节可知，电容在谐振频率处阻抗最低，滤波效果最好，那么各种规格的电容的谐振频率是多少呢？
下图是村田常用电容的谐振频率表：

阻抗-频率曲线如下图：

 等效串联电阻 ESR：
从上小节可以看出，陶瓷的等效串联电阻并不是恒定的，它是跟频率有很大的关系。上述 10uF 电容在 100hz 的时候，ESR 是 3Ω，在 700Khz 的时候达到最小，ESR 是 3mΩ，相差了 1000 倍，是非常大的。
我们非常关心陶瓷电容的 ESR 到底是多大，特别用在开关电源的时候，需要用来计算纹波的大小。
那么各中电容型号的 ESR 是多少呢？

 下图为村田普通电容的 ESR 表。

ESR-频率曲线如下图： 

 精度大小：
相对于电阻的精度来说，电容的精度要低很多，以下是一般电容的精度。
同一类型的电容精度一般厂家会生产 2~4 种精度的档次共选择。

温度特性：
不同类型的电容的工作温度范围是不同的、并且其容量随温度的变化也不同，相差非常大，如下表 

 

在设计电路的时候，需要考虑不同电容的温度系数，按照使用场景选择符合要求的电容。在一些对电容容量由要求的地方，就不能选择 Y 或者 Z 系列的电容。 

 直流偏压特性：
陶瓷电容的另外一个特性是其直流偏压特性。
对于在陶瓷电容器中又被分类为高诱电率系列的电容器(X5R、X7R 特性)，由于施加直流电压，其静电容量有时会不同于标称值，因此应特别注意。
例如，如下图所示，对高介电常数电容器施加的直流电压越大，其实际静电容量越低。
容值越高的电容，直流偏压特性越明显，如 47uF-6.3V-X5R 的电容，在 6.3V 电压处，电容量只有其标称值的 15%左右，而 100nF-6.3V-X5R 的电容容值为其标称值的，如下图。

那么，DC 偏压特性的原理是怎样的呢？
陶瓷电容器中的高诱电率系列电容器，现在主要使用以 BaTiO3 (钛酸钡) 作为主要成分的电介质。
BaTiO3 具有如下图所示的钙钛矿（perovskite）形的晶体结构，在居里温度以上时，为立方晶体
（cubic），Ba2+离子位于顶点，O2-离子位于表面中心，Ti4+离子位于立方体中心的位置。