05电容基础知识

目录

一、简介

二、命名规则

三、标准及常用容值

四、电容分类

1、陶瓷电容

2、钽电容

3、铝电解电容

4、薄膜电容

5、超级电容

五、计算公式(串并联)

六、平板电容器公式

七、电容的VCR

八、储能公式

九、充放电公式

十、作用

十一、等效模型

十二、参数及选型

1、容量

2、额定电压

3、漏电流

4、绝缘电阻

5、ESR

6、谐振频率

7、精度大小

8、温度特性

9、直流偏压特性

十三、常见品牌

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一、简介

        一个高档的智能手机里约有800~1000个片式多层陶瓷电容器，一般电路中用的最多的也是电容，可见电容的作用有多大，本文主要介绍电容的一些基本知识点。

        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。电容器有两个很重要的特性，隔直通交以及电压不能突变，所以经常被用在滤波电路、自举电路、调谐等电路中。

        电容的基本单位是F（法拉），因为F的单位较大，1F=1000000uF，一般不用。常见及常用的的电容单位是uF、nF和pF，换算关系为：1uF=1000nF=1000000pF。

二、命名规则

        电容的生产厂家比较多，不同的厂家命名规则不同，如下可以看一下村田的命名规则。、

        如GRM代表：Chip Multilayer Ceramic Capacitors for General Purpose。18代表尺寸：1.6x0.8mm，英制的0603封装，这部分查看对应厂家的选型手册即可。

三、标准及常用容值

        电容的标准容值按照E6，E12，E24数值标准，如下：

• E6系列取值：1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8乘以10的n次方；
• E12系列取值：1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2乘以10的n次方；
• E24系列取值：1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1乘以10的n次方；

        在日常的电路设计中，我们常用的容值有：

• 常用的pF级别：39、43、47、51、56、100、150、200、220、270、300、330、390、470、560、680等。
• 常用的nF级别：1、1.2、1.5、2.2、2.7、3.3、10、22、33等。
• 常用的uF级别：0.1、0.15、0.22、0.33、0.47、1、2.2、10uF等。

四、电容分类

        电容的种类很多，根据材料，常用的可分为如下几种，其中钽电解电容一般就称为钽电容。

         如下是村田给出的几种电容器的特性比较：

        根据电容的不同特性，运用场合也不一样：

• 陶瓷电容体积小（最小的01005封装），无极性，价格便宜，ESR低（低于钽电容和铝电解电容），缺点是容量没有电解电容大，韧性差，撞击易碎，一般多用在小型消费类电子产品中，如手机。
• 电解电容容量大，体积大，价格相对便宜，多用在电源和汽车电子中；
• 钽电容容量大，体积小，稳定性相比较铝电解电容高，多用在电源和汽车电子中；
• 薄膜电容耐压高，频率特性好，高压场合优选。

1、陶瓷电容

        村田陶瓷电容详解【干货分享】MLCC陶瓷电容详解 | 电子创新元件网http://murata.eetrend.com/article/2020-08/1003727.html

        根据EIA和IEC推荐的标准，陶瓷电容可以被分为两类，Class1和Class2，我们常用的X5R和X7R都是属于Class2；

        Class1和Class2的介电材料不同，Class1主要是氧化钛，Class2主要是钛酸钡，如下是村田给出的两种对比。

        C0G是温补型，可以看出随着温度的变化，静电容量变化率几乎是0：

 

        高诱电率系列的电容器(B/X5R、R/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，从下图可以看出，施加的直流电压越大，其实际静电容量越低。

        对于温度补偿用电容器 (CH、C0G特性等) ，以常诱电性陶瓷作为主要原料，静电容量不因直流电压特性而发生变化。

 

        C0G类电容的优点是由温度引起的容量变化小，缺点是电容率低，不能有大容量。

低电容率系列（Class1）的符合与特性
规格	特性	温度范围	容量变化率
JIS	CH	-25~85℃	0±60ppm/℃
	UJ	-25~85℃	-750±120ppm/℃
	SL	-25~85℃	350~1000ppm/℃
EIA	C0G	-55~125℃	0±30ppm/℃

        X5R类电容的优点是电容率高，能够具有大电容，缺点是由温度引起的容量变化大。

高电容率系列（Class2）的符号与特性
规格	特性	温度范围	容量变化率
JIS	JB(B)	25~85℃	±10%
	JF(F)	-25~85℃	+30%、-80%
EIA	X5R	-55~85℃	±15%
	X7R	-55~125℃	±15%
	X8R	-55~150℃	±15%
	Y5V	-30~85℃	+22%、-82%

2、钽电容

        钽电容一般就长下面这个样子，相比较铝电解电容，体积还是小的。

        钽电容的优点是：

• 小尺寸大容量
• 漏电流小
• 在较高的频率下ESR低，但是没有MLCC低
• 在低电流下有自修复的能力（依靠把MnO2变成MnO，修复有缺陷的位置）

        缺点是耐电压和电流能力相对较弱，过压容易爆炸，电容失效时可能会引起明火。

3、铝电解电容

        电容容量范围为0.1uF--22000uF，高脉动电流、长寿命、大容量的不二之选，广泛应用于电源滤波、解藕等场合。

4、薄膜电容

        电容容量范围为0.1pF--10uF，具有较小公差、较高容量稳定性及极低的压电效应，因此是X、Y安全电容、EMI/EMC的首选。

5、超级电容

        电容容量范围为0.022F--70F，极高的容值，因此又称做“金电容”或者“法拉电容”。主要特点是：超高容值、良好的充/放电特性，适合于电能存储和电源备份。缺点是耐压较低，工作温度范围较窄。

五、计算公式(串并联)

        电容和电阻一样，也可以进行串联和并联。

        两个电容C1和C2并联，等效电容为：

        如果C1远大于C2，等效电容可化简为：

 

        两个电容C1和C2串联，等效电容为：

        如果C1远大于C2，等效电容也可化简为：

        从以上公式可以看出，电容的串并联正好和电阻是相反的。

六、平板电容器公式

        电容器是储存电量和电能（电势能）的元件，平板电容器公式为：

        其中Q为电容存储的电荷，UA-UB为两极板之间的电势差，ε相对介电常数，S为两极板正对面积，d为两极板之间距离。面积越大，距离越小，容值越大。

七、电容的VCR

八、储能公式

九、充放电公式

        电容的充放电不得不提到时间常数τ=RC，一个τ代表电容充电到电源电压的63%所用的时间。

        电容充电公式为：

       

        其中V0是电容起始电压，Vu是电容充满电的电压，电容从0V开始充，即V0=0V，则上式可以简化为：

        当时间为一个τ，可得如下，也就是电容电压充到63%的由来，其中e=2.71828

         同理，2个τ的时间可充电到电源电压的87%，3个可充到电源电压的95%

        电容放电的公式为：其中Vu是放电之前电容上的电压。

十、作用

        电路设计中电容经常被放在电源、射频、音频等地方。

• 电源端电容主要是滤波，容值越大，越能保证输出电压的稳定性，纹波小。
• 射频端的电容，主要用于给射频供电储能，以防止瞬间的大电流导致射频断电，因为钽电容的ESR影响效率，因此对电容的ESR要求比较高。
• 音频的串联电容主要作用是隔直，容量越大，通过的音频范围越大，低音效果越好，ESR越低，对输出功率影响越小，效率越高，但因相对于耳机的阻抗较小，因此对ESR要求不高。

        电容的作用非常广泛，以上只是简单举几个例子说明。

十一、等效模型

        理想的电容器在实际中是不存在的，电容的实际模型是一个ESR串联一个ESL，再串联一个电容，ESR是等效串联电阻，ESL是等效串联电感，C是理想的电容。

         所以上述模型的复阻抗为：

        自谐振频率点是区分电容是容性还是感性的分界点，高于谐振点时“电容不再是电容”，因此退耦作用将下降。实际电容器都有一定的工作频率范围，在工作频率范围内，电容才具有很好的退耦作用。ESL是电容在高于自谐振频率点之后退耦功能被消弱的根本原因。

十二、参数及选型

        电容选型主要考量如下的几个参数。

1、容量

        指的是在室温25℃，在一定频率和幅度的交流信号下测得的容量。

2、额定电压

        指的是在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般需要降额使用，如降额80%指的是6V额定电压的电容，使用时加在上面的直流电压值不能超过 4.8V；但是有一点需要注意，实际电容的额定电压制作都留有一定的余量，如额定电压6V，实际的耐压值可能达到其额定电压的1.5倍左右。

3、漏电流

        一般是在额定电压下，工作5分钟测试得到的平均漏电流。直流的漏电流标准值并非规定的，但绝缘电阻值为规定值，可通过绝缘电阻的规定值及产品额定电压，利用算式I=V/R推算漏电流，即电容的绝缘电阻越大，漏电流越小。绝缘电阻主要与容量有关，容量越大，漏电流越大，下面列出村田的几种普通电容的绝缘电阻表格，可供参考。

4、绝缘电阻

        指的是常温下，对电容以额定电压值进行充电1分钟/2分钟，将电压值除以1分钟/2分钟的平均漏电流得到绝缘电阻值。

5、ESR

​​​​​​陶瓷电容的ESR-谐振频率去哪查？https://blog.csdn.net/weixin_42005993/article/details/106504091

        指的是电容的等效串联电阻，其参数可以SPEC中查看，ESR的值会影响电源纹波和PDN仿真，MLCC的ESR一般都很小，mΩ级别，钽电容和铝电解电容一般都是Ω级别。

        陶瓷电容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。那么各种电容型号的ESR是多少呢? SimSurfing村田製作所の積層セラミックコンデンサの製品情報、生産情報、特性データ、詳細特性など、さまざまな情報を提供するオンラインソフトウェアです。https://ds.murata.co.jp/simsurfing/mlcc.html?lcid=zh-cn

        下图为村田普通电容的ESR表。(谐振频率处，跟频率有关系)

ESR频率曲线如下图：

6、谐振频率

        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：

        频率曲线如下图：

7、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。

8、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。

9、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。

十三、常见品牌

        常见的电容品牌如村田MURATA、集美KEMET、AVX、TDK、威世VISHAY、宇阳、国巨Yageo等。