电容选型实例，电容手册参数解读，电容分类

电容概述

     1.电容是表现电容器容纳电荷本领的物理量，在电路设计中，会用到各式各样的电容，如今电路设计进入高速时代，电容的使用更加必不可少。

     2. 电容的本质是存储电荷与释放电荷，如图，当电压高时存储电荷，当电压低时释放电荷，从而达到输出平稳波形的效果即是滤波效果。

    3. 我们许多人对电容的概念还只是停留在理想电容的阶段，但是在实际的选型应用中，电容还有许多重要的参数，可能也不知道1uF的陶瓷电容和1uF的铝电解电容有什么不同。实际的电容可以等效为下面的电路形式：

   4. 其中等效的电路形式中，等效电感L包括引脚电感和极间电感串联而成，等效电感的大小和封装有关；等效电阻RS由引脚电阻和极间电阻串联而成，和工作环境的温度有比较大的关系（电容材质随温度变化），RP是漏电阻，很小。

     另外，电容的容量受温度的影响比较大，如图，不同型号的电容在不同的温度下容值变化率比较大，所以在电路的选型设计中，要留有较大的裕量

5.下面是平行板电容器的容值计算公式

     由公式我们可以知道通过增大极板之间的面积，缩小两极板之间的距离，或是改变不同介电常数的介质等都可以增大电容的容值。

       通过上图我们可以知道，同封装下但是比较高的陶瓷电容的容值会大一些，这是因为电解电容的层数变多了，相当于多个电容并在一起。

6.在查阅电容手册的时，我们常关注的参数有以下几个

电容分类

      在电路设计中，我们常选型的电阻包括陶瓷电容，钽电容，铝电解电容等，下面从厂商提供的数据手册入手，了解一下各参数含义，以期对实际应用有所帮助。

陶瓷电容

     1.陶瓷电容概述

    陶瓷电容（ceramic capacitor）是以陶瓷为介质电容器的统称，又可以称为陶瓷介质电容，具有以下特点：

      电容结构简单，电容量比较宽；种类繁多，外形尺寸相差比较大；按材料介质区分包括Ⅰ类陶瓷电容和Ⅱ类陶瓷电容；不同材料的陶瓷介质，其温度特性有比较大的差异；

      优点：耐高压，绝缘性好，性能稳定；             缺点：容量小；

2.不同介质陶瓷电容介绍

Ⅰ类陶瓷电容是温度补偿型NPO介质

      NPO又名COG，电气性能最为稳定，基本上不随温度，电压，时间的改变，是超稳定，低损耗电容材料类型。可应用在对稳定性，可靠性要求比较高的的高频，特高频，甚高频电路中。

     一类电容，使用在晶振，滤波电路

Ⅱ类介电常数型X7R介质

     X7R是一种强电介质，利用此种介质可以生产出比NPO介质容量更大的电容器。而且这种介质的性能也是比较稳定，温度，电压变化时其性能变化并不显著，在隔直流，耦合，旁路，滤波电路中应用比较广泛。

Ⅱ类半导体型X5R介质

   X5R介质有比较高的介电常数，常用于生产比容较大，标称容量比较高电容器产品中。但是其稳定性相较于X7R，容值，损耗对温度，电压的变化比较敏感，也可应用在电子整机中的振荡，耦合，滤波以及旁路电路中。

 Ⅱ类还包括其他的介质类型，但不是我们常选用的类型，二类包括很多，常见的有X5R,X7R

  现在对Ⅱ类陶瓷电容中的X7R，X5R的符号进行说明。

    美国标准EIA-198-D对Ⅱ类陶瓷电容的规定，用字母或数字表示陶瓷电容的温度性质。符号包括三位，第一位最低工作温度，第二位最高工作温度，第三部分随温度变化的容差。具体含义见下面表格：

     比如X7R，X表示最低温度-55℃，7表示最高温度+125℃，R表示随温度变化的容差±15%，即±30ppm/℃，其他表示符号大家可以类推。

3.陶瓷电容的参数信息

   国巨电容手册X7R材质，陶瓷电容，看数据手册的各项参数

    与贴片电阻的数据手册不同，贴片陶瓷电容的第一项参数是封装，因为陶瓷电容的构造是由多层陶瓷介质和导电介质构成，其封装越大意味着其容值也会相对比较大，第二项参数是其精度。

       在电阻的选型中我们可能不会特别的去关注电阻的额定电压，但是在电容的选型中我们会关注电压比较多一些，如果设计不合理超过电容的额定电压可能会击穿损坏，对于电解电容还可能会发生爆炸。电容的标称读数与电阻基本相同，但是需要注意的是，电容的单位是pF。

     上图是在规定的测试条件下，一些不同规格的电容电气性能特点。特别需要注意的是：在某一具体封装，额定电压确定的情况下，电容的容值是有上限的。比如说X7R材质陶瓷贴片电容做到47uF已经极限了，而且只有少部分半导体厂商生产，采购不方便，实在要用不如选用钽电容更好一些。再比如0603封装的X7R陶瓷电容做到22uF已经是极限了

所以我们在进行元器件建库或者是进行电路仿真的时候不要随意的设置电容，很可能你随意设计的电容值实际生产应用中就不存在。

    下面我们看一下电容的相关变化曲线

    这是该系列陶瓷电容的容值变化率随温度的变化情况，可以看到在常温下使用时候，电容的容量最接近标称值，在极限的温度条件下，电容的容值变化比较大，所以在电路的选型设计中，一定要留有比较大的裕量。

       该曲线是0201封装的电容阻抗以及ESR随频率的变化曲线，其他封装的电容曲线变化也是类似。可以看到随着频率的升高电容的ESR在逐渐变小，阻抗也在逐渐变小，最低点是谐振点，在谐振点之前电容是容性，谐振点之后电容呈现感性，在选择滤波电容的时候，可以根据噪声频率是否在谐振点附近选择电容（在该频率下提供一个对地的低阻抗泄放通路，从而滤除噪声），但是噪声不是单一频率，我们可以选择不同容值的电容进行并联滤波，这样就可以滤除各个频点的噪声。

4.不同规格封装的陶瓷电容

 除了常见封装的电容之外，还有一些多个引脚的电容，即是多个电容的并联，如下图所示：

   还有一种电容不止一个引脚，其他元器件也是，二极管也是，类似数码管也有挺多引脚，所以说大家不要受制于惯性思维。

还有一种的穿心电容，或者是三脚电容，如下图：

如图，穿心电容，中间接地，两边连接在信号线上进行滤波。

5.陶瓷电容的应用案例——网卡

如图看到一个案列和大家分享一下，在一款网卡设计中，为了降低成本将一个滤波电容从X7R换成Y5V，未更换电容之前该款产品功能完整，可以通过各项测试。更换电容之后，大批量生产中总有个别的网卡在进行高低温测试时出现高温，数据丢失的现象，电路图如下：

   因为是较多产品的个别现象原因比较难以查找，最后他们发现是因为电容替换的原因，结果分析如下：

     下图是X7R（左图）和Y5V（右图）电容随温度的变化曲线。可以看出Y5V在高温下电容值降额比较严重，造成滤波效果变差，纹波比较大，才造成了数据丢失的现象，所以在元器件选型的时候考虑降额设计十分的有必要。

钽电容

1.钽电容概述

钽电容：用金属钽经过阳极氧化的氧化物作为介质的一种电解电容；

钽电容分为液钽电容，固钽电容；直插式钽电容和贴片钽电容；下图是常见贴片钽电容的示意图：

   钽电容的极性条需要关注，注意与二极管的极性条进行区分，二极管的极性条代表负极，而钽电容的极性条代表阳极，钽电容也属于电解电容的一种，所以是有极性的。

钽电容具有如下特点：

温度性能比较好，ESL比较好，几乎为零，体积小；

ESR比同额定电压的铝电解电容小；价格比较高；

耐电压能力比较差，耐电流能力比较差，在高温下需要降额使用；

可以应用在电源滤波，低频旁路和信号耦合中。在容量大，体积小的场合，一些高密度的板卡中应用。

注意：

   耐压能力差，不适合用在接口上，热插拔接口上瞬间会有过冲过压，抗浪涌能力差，但是可以用在高速板卡的滤波场合

2.钽电容的特点分析

   钽电容在-55℃~85℃时的额定电压是，但是在此温度下使用时，推荐降额五折进行使用；在85℃~125℃时额定电压已经变为67%的，而这时推荐降额33%的的进行使用。

    钽电容是有极性的电容，反向击穿电压只是额定电压的百分之几，例如说，额定10V的电压，在85℃时，其反向电压只有0.5V。所以在进行使用的时候要特别注意电容的极性，另外，需要注意的是钽电容应用在直流电源的滤波场合，在交流电源滤波中不适用。

上述体现耐电压能力差，

   由于钽电容的耐电流能力也比较差，所以在不同的温度下滤波使用的时候，也要注意纹波电流，纹波电压的降额使用，纹波电流的计算方法，可以看到该封装下的功耗，再利用ESR就可以对纹波电压，纹波电流进行计算。

3.聚合物钽电容的优势

   打九折使用就可以，阴极材料换成了高分子聚合物耐压能力比较强，反向耐压能力也有了提高，几乎可以达到正向耐压能力，高温下性能也比较优越，用在手机平板电脑，

聚合物钽电容的特点：

    聚合物钽电容，高分子电容，它是将钽电容或者铝电解电容的负极材料换成高导电性的高分子聚合物。大部分聚合物电容的阳极是烧结钽，仅有少部分的阳极为铝箔，所以比较常用的是POSCAP钽电容。

特点：容值大；RES极小；更耐压，不需要降额使用；

    钽电解电容虽然属于电解电容的一种，但是使用金属钽做介质，不像普通的的电解电容那样使用电解液，因此更适合在高温下进行工作。体积小而且容量大，相比其他电容，在电源滤波，交流旁路等用途上具有绝对优势。    但是ESR比聚合物钽电容大；耐电压能力差，耐电流能力差，高温需要降额使用。

4.钽电容应用实例：USB3.0转千兆网口

    下图右侧是网卡USB端的电源滤波部分，选取了一个额定电压6.3V的钽电容，再进行测试的时候有些产品热插拔测试不通过，原因分析如下：

    我们知道USB的VCC是5V的供电电压，而选取6.3V额定电压的钽电容，降额不够。上面的数据手册可以看到，在钽电容的使用上，需要降额50%进行使用。

   另外，USB端口即插即用，是热插拔，在分析钽电容的特点时，讲到因为钽电容的耐电压能力比较差，所以不适合用在热插拔场合。

总结设计出现问题的两点原因：1，降额不够，2，钽电容耐压能力差，不适合用在热插拔的接口上。可以换成聚合物电容，铝电解电容或者陶瓷电容来解决该问题。

铝电解电容

1.铝电解电容概述

     电解电容是一种金属通过阳极氧化形成良好绝缘的之谜氧化膜作为介质的电容。金属有铝，钽，铌，钛。因此电解电容分为铝电解电容，钽电容等。

    电解电容的极性要注意，反向电压也是比较小，正负极的区分

铝电解电容具有如下的特点：

容量大，体积大；

频率特性比较差，在高频率下等效容量很小；

漏电流比较大；

ESL,ESR都比较大

在极高温和极低温下，性能极其不稳定；

可以应用在电源滤波。低频旁路和信号耦合的电路中。

   铝电解电容多以插件电容为主，也有贴片的铝电解电容，其性能相较于插件电容比较优越。铝电解电容是有极性的电容，插件电容中，引脚比较长的是正极，引脚短的是负极。

2.铝电解电容特点分析

铝电解电容的容值变化率随频率变化的曲线，

铝电解电容的容值随频率的变化下降比较快，频率特性比较差，在高频率下等效容量很小。

漏电流比较大

    漏电流定义：对电容施加额定直流工作电压可以看到充电电流的变化开始变大，随着时间而下降，到达某一个值的时候达到稳点状态这一终值被称为电容的漏电流。

    下图是铝电解电容的参数手册，在手册中可以看到漏电流（LC）的量级在几十个uA左右，看起来并不算太大，但是说铝电解电容的漏电流比较大是以陶瓷电容和钽电容进行对比来说的。

钽电容的一些规格参数，

   钽电容的漏电流（DCL），可以看到钽电容的漏电流量级只在0.5个uA左右，相对于铝电解电容来说是比较小的。

ESL,ESR都比较大

    图中又提到铝电解电容的一个参数：损耗正切角，它是无功功率和有功功率的比值，该值越小，说明越接近理想电容，角度表征了寄生电容和ESR，角度越小，ESR越小。说明电容的损耗越小。陶瓷电容，钽电容中该参数非常小，没有对本身性能产生大的影响，所以数据手册中一般没有该参数的说明。

   在铝电解电容ESR随温度变化而变化的图中，ESR在常温下应用的时候还是挺大的。铝电解电容内部的电解质是电解液，受温度影响比较大。

   随频率变化的曲线图进行对比，陶瓷电容的ESR0.01左右，电解电容的ESR最低也有0.5欧姆左右，相对而言是比较高的。

      图中是二类陶瓷电容的正切损耗角的值与铝电解电容值的比骄傲，可以看出陶瓷电容的值在0.003左右，而电解电容的值在12左右，正切损耗角大，说明损耗就比较大。通过以上对比，铝电解电容的性能不如陶瓷电容和钽电容，但是其容量可以做到比较大，应用仍然是十分的广泛。

以上我们对比总结了陶瓷电容，钽电容，铝电解电容的各项性能参数，希望对大家有所帮助。