电子元器件解析之电容(二)——电容分类与应用场景
书接上文：电子元器件解析之电容(一)——定义与性能参数：https://blog.csdn.net/weixin_42837669/article/details/131142286
摘要
本文总结了各种不同介质电容的特性，包括陶瓷电容、电解电容、薄膜电容等；同时对一些特殊场合的电容，如安规电容、穿心电容、超级电容等进行了简要说明，旨在帮助大家了解不同种类电容的特性和使用场景。
关键词：陶瓷电容；电解电容；薄膜电容；安规电容；穿心电容；超级电容
三. 电容的分类
参考：电容器 | 电子元器件 | 村田制作所 (murata.com)
电容种类繁多，按不同的分类依据可划分成不同的品类。如按封装可分为贴片电容和直插电容；按极性分类可分为有极性电容和无极性电容；按工作电压分类可分为低压电容、中压电容和高压电容。
下图为Murata的电容产品分类。
下图为LC商城中的电容分类。
下面我将依据一般的分类方法即按介质材料分类，介绍几种流行的电容器。
3.1 陶瓷电容
参考：[陶瓷电容 - 维基百科，自由的百科全书 (wikipedia.org)] https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E9%99%B6%E7%93%B7%E7%94%B5%E5%AE%B9 。
美国EIA为陶瓷电容制定了相关标准，将其依据电容稳定性和容积效率分类。
- Class 1 陶瓷电容：有温度补偿，电容值准确的电容器。在不同的电压、温度下的稳定性最佳，且其损失最少。但是其容积效率也最低。
- Class 2 陶瓷电容：其容积效率较Class 1电容要好，但其电容准确度及稳定性较差。一般的Class 2电容在−55°C至85°C的温度范围内，电容量误差值会在15%以内。
Class I 电容有三个字的识别码，第一个字表示电容随温度的变动量，以ppm/°C来表示，第二个字是其10的乘幂，第三个字是电容随温度的变动量（以ppm/°C来表示）的最大允许误差，如下图所示。
例如：C0G的电容，其容值不会随温度变化，误差在±30 ppm/°C之间；P3K的电容，其容值飘移量为−1500 ppm/°C，最大误差在±250 ppm/°C
Class II 电容同样有三个字的识别码，第一个字对应工作温度的下限，第二个字为数字，对应工作温度的上限，第三个字对应在上述温度范围内的电容值变动，如下图所示。
例如，X7R的电容，工作温度-55℃~+125℃，容值变化±15%。
另外，中国的标准中用2X1来表示X7R，所以有的国产品牌（如火炬）它的电容命名就带有2X1，这和X7R是一个意思。
陶瓷电容又可细分为多个子类，其中最流行的是MLCC和瓷片电容，下面分别介绍。
3.1.1 MLCC
MLCC，Multilayer Ceramic Capacitor，多层陶瓷电容器，它由多层薄膜状的陶瓷片和金属电极交替叠压而成，通过烧结技术将陶瓷和电极固定在一起，形成一个整体结构。
MLCC具有以下几个特点：
-
体积小：由于采用多层叠压的结构，因此MLCC的体积相对较小，可以在微型电路板中得到广泛应用。
-
电容量大：由于采用多层叠压的结构，能够在同样的体积内实现更大的电容量。
-
电学性能稳定：MLCC的电学性能稳定，容易实现高精度的电容值。
-
工作频率高：MLCC的工作频率范围广，可以达到数GHz以上。
-
适用温度范围广：MLCC的适用温度范围广，一般可以在-55℃至+125℃的温度范围内正常工作。
由于MLCC具有以上特点，因此在电子产品中得到了广泛应用，如手机、平板电脑、电视机、电脑、汽车电子等领域。
我们经常说的贴片电容大部分时候就是指的MLCC，它和贴片电阻一样，有0201、0402、0603等多种尺寸。它最常使用的介质是C0G、X7R、X5R等。
还有一种不常用的MLCC，是直插型的MLCC，也叫直插独石电容，简称独石电容。它瓷片电容长的很像，但独石电容一般是方形的，而瓷片电容是片状圆型的，独石电容和贴片MLCC的性质几乎没有区别，最大的不同就是安装方式，然后直插式的因为引脚会更长，高频特性会更差些。
3.1.2 瓷片电容
参考： 百度百科——瓷片电容
瓷片电容，Ceramic Capacitor，它和MLCC的主要区别是MLCC是多层陶瓷电容，瓷片电容是单层的，结构不一样。它的特点包括：
-
高稳定性：损耗较小，能够在广泛的温度范围内提供可靠的电容值。
-
高耐压：瓷片电容可以承受较高的电压，通常可以达到数百伏特的电压级别。
-
小型化：由于瓷片电容的结构简单，可以制造非常小型化的组件。
-
电容量小：一般高耐压的瓷片电容容量都在100nF以内，低耐压的容量会大一些，但一般也不会超过10uF
瓷片电容通常应用于需要高耐压，高频的滤波电路中。
3.2 电解电容
电解电容，Electrolytic Capacitor，一种极性电容，具有以下特点：
-
容量大：最突出的特点，容量一般在几微法到数千微法之间。
-
电压等级高：电解电容具有较高的电压等级，一般在10V到数百V之间。
-
ESR较大：电解电容的ESR比较大，会影响电路的性能，通常和低ESR的陶瓷电容并联使用。
电解电容可大致分为以下几类。
3.2.1 铝电解电容
铝电解电容，Aluminum electrolytic capacitor，正极为铝箔，介质为电解液，负极为碳、铅、银等材料。铝电解电容除了包含上述电解电容的所有特点外，它最重要的特点是大容量且价格便宜，所以，铝电解电容应用是最广泛的。
3.2.2 固态电容
固态电容，Solid capacitor，全称为固态电解电容，它和铝电解电容最大的区别是介质并非液态而是固态，介质为高分子聚合物，相对铝电解电容来说，固态电容有以下优势：
- 安全性更好，不会爆浆。
- ESR更低，高频特性更好，也更耐受纹波电流。
- 温度稳定性更好，容量随温度变化较小。
- 使用寿命更长，不存在高温电解液蒸发的问题。
- 体积较小，通常在同容量，同耐压下，固态电容比铝电解电容体积更小，但小的不多。
固态电容的最大缺点是价格贵。另外一个缺点是固态电容的耐电压能力较弱，一般耐电压都在250VDC以下，所以高压直流场合，还是要使用铝电解电容，而低压场合，固态电容显然更有优势。
3.2.3 钽电容
参考：百度百科——钽电容
钽电容，Tantalum capacitor，全称钽电解电容，是一种使用钽金属作为电极材料的电容器，其组成包括钽金属电极、氧化钽薄膜电介质和导电聚合物等材料。钽电容的优点是：
-
钽电容器的电容密度很高，通常可以达到几百微法/立方毫米，因此可以实现比其他电容器更小尺寸的电容器。
-
电容值稳定：钽金属电极与氧化钽薄膜电介质之间的结构稳定性高，因此钽电容器的电容值稳定，不容易受到温度、电压、频率等因素的影响。
-
低漏电流：钽电容器的漏电流很小，通常可以达到几十微安以下，因此可以在一些高精度的应用中使用。
-
长使用寿命：由于钽电容器稳定性好、漏电流小，因此可以具有较长的使用寿命，一般可以达到数十年以上。
缺点是：
- 安全性低，当钽电容受到过电压或过电流冲击时，容易烧毁，甚至出现爆炸，这一缺点严重限制了钽电容的应用。
- 价格较高
- 耐电压能力弱，一般耐电压水平在150V以下
钽电容通常用在安全性要求不那么高，但对体积要求严格的场合。
3.3 薄膜电容
参考：1.薄膜电容器的基础知识 | 汽车用高耐热薄膜电容器 | 村田制作所 (murata.com)；2. 厦门法拉，薄膜电容综述
薄膜电容，film capacitor，薄膜电容器是以金属箔当电极，以聚丙烯（PP）、聚酯（PET），聚乙烯脂肪酸酯（PEN）、聚苯烯硫醚（PPS）等为介质制成。
薄膜电容因介质不同特点也不相同，这里列出薄膜电容相对其它类型电容的一些共性优点：
- 容值稳定：薄膜电容器的稳定性比较好，其电容值随时间、电压和温度变化较小，可以满足电路对电容值稳定性的要求。
- 频率特性好：薄膜电容器的频率特性比较好，其在高频电路中表现出更好的性能。
- ESR小：薄膜电容器的ESR比较小，损耗小。
- 绝缘性能好：薄膜电容器的绝缘性能较好，可以承受较高的工作电压。
- 无极性：无极性使得薄膜电容可以应用在交流电路中。
- 耐压高：薄膜电容的耐压可以做到几百V和几千V。
薄膜电容的缺点：
- 容量不大，一般最大容量在100uF以下。
- 体积大，相对于MLCC，电解电容，薄膜电容在同容量下体积一般是最大的。
基于薄膜电容的特点，它通常被应用于需要高可靠性、高频滤波。交流滤波、电压水平较高的场景下。
3.4 特殊场合的电容器
3.4.1 安规电容
参考：IEC 60384-14-2016 电子设备用固定电容器 第14部分：分规范 抑制电源电磁干扰用固定电容器
安规电容，safety capacitor，是指电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全。之所以叫安规电容，是因为这些电容通过了国际安全认证标准，如下图所示。
安规电容适用于工作电压不超过 1000VAC，频率不超过 100Hz 的电子电气设备中。安规电容包括了X电容和Y电容。
X电容是跨接在火线和零线（L-N）之间的电容，一般都是金属薄膜电容，容量在uF级，用于抑制差模干扰。按耐压等级分，X电容可分别X1、X2两类（X3在IEC 60384-14-2013标准以后就淘汰了）。
| X电容类型 | 额定电压 | 峰值脉冲电压 | 应用 |
|---|---|---|---|
| X1 | 440VAC | >2.5kV，≤4kV | 高脉冲应用 |
| X2 | 275VAC(VDE，ENEC，KC); 300VAC(UL&CUL） | ≤2.5kV | 一般应用 |
Y电容是跨接在火线-地线和零线-地线（L-E，N-E）间的电容，一般都是高压瓷片电容且成对出现。基于安全漏电流的限制，Y电容值不能太大，容量在pF级或几nF级，用于抑制共模干扰。按耐压等级分，Y电容可分为Y1、Y2、Y4三类（Y3在IEC 60384-14-2013标准以后就淘汰了）。
| Y电容类型 | 额定电压 | 峰值脉冲电压 | 绝缘等级 |
|---|---|---|---|
| Y1 | ≤500VAC | 8kV | 双重绝缘或加强绝缘 |
| Y2 | ≥150VAC，≤500VAC | 5kV | 基本绝缘或附加绝缘 |
| Y4 | ＜150VAC | 2.5kV | 基本绝缘或附加绝缘 |
3.4.2 穿心电容
穿心电容，lead-through capacitor，是一种三端电容，但与普通的三端电容相比，由于它直接安装在金属面板上，因此它的接地电感更小，几乎没有引线电感的影响，另外，它的输入输出端被金属板隔离，消除了高频耦合，这两个特点决定了穿心电容具有接近理想电容的滤波效果，是EMI抑制的利器。
3.4.3 超级电容
超级电容，Super capacitor，是一种高能量密度的电容器。它是一种新型的电化学元件，具有介于传统电容器和电池之间的特性，能够在短时间内存储大量的电荷，能够快速充放电，具有长寿命、高可靠性、高效率等优点。
超级电容的电极材料常使用的是活性炭、金属氧化物等，电解质采用的是有机电解质或者离子液体等。超级电容的容量通常比普通电容器大几个数量级，能够存储的电荷量非常大，但是其最大的局限性是电压较低，一般在2.5V以下。因此，在实际应用中，超级电容常常与锂电池等其他存储设备配合使用，以满足高能量密度和长时间供电的需求。
超级电容应用于电子设备和系统中，具有广泛的应用前景，如储能系统、智能电网、电动汽车等。
3.5 其它类型的电容
还有一些小众应用会用到其它类型的电容，像可调电容、氧化铌电容、纸介质电容、硅电容等，应用面较窄，本人也未用过，故不再介绍。
四. 参考与分享
除了上文已经列出的参考外，本文还参考了：
- 《电容器手册》——陈永真、李锦，科学出版社，2008.09
分享本文参考的资料，如下图所示：
欢迎大家关注我的公众号：徐晓康的博客，回复以下四位数字获取。
1490
建议复制过去不会码错字！
徐晓康的博客持续分享高质量硬件、FPGA与嵌入式知识，软件，工具等内容，欢迎大家关注。