电子元器件基础2--电容

由于电容在集成电路中难以集成，所以在芯片的周围，我们总能看到有大量的电容，如图1所示。在这些高集成度的电路板上，电容的数量甚至远大于电阻的数量。 1.png (338.24 KB, 下载次数: 629) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图1 集成电路周围的电容 电容和电阻相比，有两个特点。 第一个特点就是精度远不及电阻。电容甚至有 +80%～-20%精度的，这在电阻里面是不可想象的。 第二个特点是电容的主要额定参数是耐压，而电阻的主要额定参数是功率。 依据实际购买电容常用的种类，我们将分别介绍以下电容及其特性： MLCC电容 瓷片电容 薄膜电容 安规电容 电解电容 超级电容 1、MLCC电容 图1右图所示的大量小型贴片电容就是MLCC电容，全称是Multi-layer Ceramic Capacitors片式多层陶瓷电容器，它的内部结构如图1.1所示。所有电容的基本构造都是金属板级之间间隔电介质（绝缘体），陶瓷就是良好的电介质，MLCC的多层结构可以增大电容值，在非常小的体积可以做到数十μF甚至100μF电容量，等效串联电阻ESR较小，因此纹波电流引起的发热也小。 2.png (200.14 KB, 下载次数: 614) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图1.1  MLCC片式多层陶瓷电容器结构图 MLCC贴片电容的尺寸与贴片电阻类似，也有0201/0402/0603/0805/1206等尺寸，当然贴片电容要比贴片电阻厚一些。针插型的MLCC多称独石电容，如图1.2左所示，如果我们将黄色外壳切开，可以发现里面其实就是MLCC贴片电容焊上引脚。 3.png (49.76 KB, 下载次数: 601) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图1.2 独石电容外形 MLCC选型的有一个重要指标，那就是介质材料不同导致的不同温度特性。按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， NP0/C0G属于Ⅰ类陶瓷，而其他的X7R、X5R、Y5V、Z5U等都属于Ⅱ类陶瓷。 Ⅰ类陶瓷的温度容量特性（TCC）非常小，在ppm/℃量级，适用于要求损耗小和电容量稳定的电路。 II类陶瓷电容的命名方法如表1.1所示，三个字符分别表示使用的温度下限、温度上限和电容变化率。X7R即代表-55℃~+125℃，±15%的陶瓷电容。 4.png (139.36 KB, 下载次数: 634) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 表1.1 II类陶瓷电容命名方法 随着陶瓷电介质层的薄层化和积层技术的进步，单个电容的容量已可做到100μF（如图1.3所示为TDK公司C5750X5R1A107MT000E电容），但MLCC电容整体上额定电压比较低。0603和0805封装，100nF以下容量的MLCC电容耐压多在50V，可以满足一般信号级电路的使用。而体积缩小或是容量增大的MLCC耐压将明显低于50V，这时必须查清电容的耐压值才能使用。 5.png (335.35 KB, 下载次数: 605) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图1.3 TDK公司的单体100μF/10V X5R MLCC电容（标尺1mm） 2、瓷片电容 瓷片电容和MLCC电容都是陶瓷电容，区别是MLCC由多层电介质和多对电极构成的，瓷片电容一般是由一层电介质和一对电极构成的。 瓷片电容高频特性好，比MLCC便宜，容量小于MLCC，一般最大0.1μF，耐压高。如图2.1所示为低压瓷片电容的一些外观和颜色，这些未标注的瓷片电容一般耐压为50V。 6.png (118.42 KB, 下载次数: 629) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图2.1 低压瓷片电容 瓷片电容相比MLCC电容容量小而耐压高的原因很简单，瓷片电容只有一层电介质和一对电极，所以不如多层结构的MLCC容量大。但是多层电介质带来的副作用就是电介质薄，所以耐压不高。高压瓷片电容的外观如图2.2所示，多为蓝色，也有黄褐色，耐压值一般都在电容上直接标注，从数百伏到万伏都有。 7.png (127.74 KB, 下载次数: 588) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图2.2 高压瓷片电容 什么时候选择使用瓷片电容而不使用MLCC电容呢？ 1、低电容值，针插电容场合。此时使用瓷片电容，不仅性能更好，而且便宜。 2、低电容值，高压场合。常规电容中，只有瓷片电容才能做到高压，但是瓷片电容的结构也决定了它电容值难以做大。 3、薄膜电容 前面我们介绍了两种瓷片电容，MLCC电容值可以做到比较大（最大100μF），但是耐压低（最大50V）；瓷片电容耐压可以很高，但是电容值小（最大0.1μF）。如果遇到耐压数百伏，电容值大于0.1uF的非极性电容应用场合，显然瓷片电容就不再合适，这时需要使用薄膜电容。 常规的薄膜电容，一般可分为金属化聚丙烯薄膜（ CBB电容）和金属化聚酯薄膜（ CL电容&涤纶电容）。 如图3.1所示，CBB电容工作频率高，性能更好，通常外观是肥厚的红色，耐压值直接标注。精度则依靠字母表示，电容F ±1%  G ±2%  J ±5%  K ±10%  M ±20%  N ±30%。电容值有直接标注例如100n，也有155代表15*10^5 pF=1.5 μF。 8.png (158.93 KB, 下载次数: 625) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图3.1 CBB薄膜电容外观 如图3.2所示，CL涤纶电容外观上比较薄，大部分做成绿颜色，电容值和精度标注方法与CBB电容一致。涤纶电容耐压值间接标注：第一位数字表示数量级，第二位字母表示数值，A:1.0     B:1.25    C:1.6     D:2.0     E:2.5     F:3.15    G:4.0     H:5.0     J:6.3     K:8.0     Z:9.0。对于标注为2A的涤纶电容，其耐压为1.0*10^2=200V。 9.png (94.47 KB, 下载次数: 635) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图3.2 涤纶薄膜电容外观 4、 安规电容 安规电容之所以称之为安规，是因为可以耐受非常高的脉冲电压，且击穿损坏后为断态，不危及人身安全。安规电容包含X电容和Y电容两种。 X安规电容是跨接在电力线两线（L-N）之间的差模滤波电容，容量μF级。 X安规电容属于金属化薄膜电容的一种，但是外观和普通CBB电容有很大区别。如图4.1所示，X安规电容外观多数是方形，颜色多为明亮的黄色，也有黑色等其他颜色。 辨别安规电容最明显的标志就是电容上印着X1或X2或X3（以X2最为常用），此外还标注有安规认证标志（中国CQC、美国UL/加拿大CUL、德国VDE、欧盟ENEC等），交流耐压值（AC310或AC275）等信息。 10.png (147.93 KB, 下载次数: 598) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图4.1 X安规电容的外观 Y安规电容分别跨接在电力线两线和地之间（L-E，N-E）的共模滤波电容，成对出现，为防止触电，容量较小在nF级。Y安规电容属于高压瓷片电容的一种，如图4.2所示，外观与普通瓷片电容相近，区分方法主要是电容上的各种安规标注。 11.png (141.65 KB, 下载次数: 622) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 4.2 Y安规电容的外观 虽然安规电容上标注的交流耐压值只有几百伏，但是绝不能用普通几百伏耐压的CBB或瓷片电容代替安规电容。参考表4.1，安规电容上所带的X1/X2/X3，Y1/Y2/Y3/Y4表征了其允许的峰值脉冲过电压等级。 12.png (52.99 KB, 下载次数: 598) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 表4.1安规电容耐脉冲峰值电压值 5、电解电容 前面我们介绍的各种电容都是无极性电容，可以用于交流或直流场合。但是无极性电容的由于构造的原因，容量较小。 电解电容是电容的一种，金属箔为正极（铝或钽），与正极紧贴金属的氧化膜（氧化铝或五氧化二钽）是电介质，阴极由导电材料、电解质（电解质可以是液体或固体）和其他材料共同组成，因电解质是阴极的主要部分，电解电容因此而得名。电解电容属于极性电容，正负极接错会爆裂（铝电解电容）或烧毁（钽电解电容），大容量的电解电容使用后还要注意（人工）泄放电荷。 5.1钽电解电容 钽电容是高性能的电解电容，体积小容量大（低压可达1000μF），ESR小，性能优于铝电解电容。钽电容也是极性电容，使用时要特别注意钽电容正负极标识，参考图5.1。 针插型钽电容外观像一粒圆黄豆，与一般常识相同，长腿为正极。电容上直接标注了容量和耐压，图5.1左所示的钽电容容量33*10^6 pF=33 μF，耐压值6.3V。 贴片型钽电容外观为长方体，根据生产商不同有黄色和黑色两种。与一般常识相反，贴片钽电容有横线的一端为正极！千万不要搞错。 13.png (139.74 KB, 下载次数: 623) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图5.1 钽电容外形 钽电容属于低压电容，耐压等级由字母表示，从2.5V至50V不等，如表5.1所示。 14.png (36.04 KB, 下载次数: 603) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 表5.1 钽电容的耐压等级 钽电容的封装尺寸如表5.2所示。 15.png (111.22 KB, 下载次数: 602) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 表5.2 钽电容的封装尺寸 钽电容的精度:K±10%     M±20%。 5.2 铝电解电容 铝电解电容，最主要的优点就是容量大（数万μF），价格便宜。虽然ESR等指标不如钽电容，但是铝电解电容耐压有高达600V的型号，是钽电容最高50V的耐压不可比拟的。 如图5.2所示，铝电解电容的极性符合常规，无论是针插还是贴片都是有横线的为负极。普通铝电解电容，非常小容量无防爆槽，中大容量均有防爆槽，如图5.2左所示的针插电解电容顶端有十字防爆槽，右图所示的贴片型电解电容顶端有K字防爆槽。 16.png (132.06 KB, 下载次数: 487) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图5.2 普通铝电解电容外观 普通铝电解电容内部有电解液，各种原因损坏时会发生爆浆，如图5.3所示。为了减小暴裂时的危害，所以特意预留有防爆槽。 17.png (267.38 KB, 下载次数: 484) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图5.3 铝电解电容爆浆损坏图 在开篇图1左图电路板上的电容叫固态（铝电解）电容，由于没有电解液，性能更加稳定，没有爆浆的风险。如图5.4所示，固态电容没有防爆槽。贴片普通铝电解电容和固态电容的外观较为接近，中大容量可以通过防爆槽区分。 18.png (177.2 KB, 下载次数: 479) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图5.4 固态（铝电解）电容外观 选型铝电解电容的另一个指标就是额定工作温度，在电路板中，电解电容是最容易失效的元件。而工作温度是决定铝电解电容寿命的主要因素，一般认为工作温度每升高10℃，寿命缩短一半。如图5.5所示为最常见的两种额定工作温度，105℃和85℃。 19.png (195.71 KB, 下载次数: 465) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图5.5 105℃电解电容和85℃电解电容 最后总结一下，电解电容如何选型。 （1）不考虑价格，在钽电容的容量值和耐压允许的情况下，肯定是钽电容最好。在有的芯片说明书中，会指明该处可使用1μF钽电容或者10μF铝电解电容。这是因为钽电容的等效串联电阻ESR远小于铝电解电容，所以同容量两者滤波效果可能差10倍。 （2）固态电容比钽电容便宜，比普通铝电解电容贵，效果也介于两者之间。使用固态电容主要因为它的稳定不爆浆，适用于可靠性要求高的产品。同样，使用固态电容也需要容量和电压允许，没有太大容量和太高电压的固态电容。 （3）在考虑成本或者是容量和电压高的情况下，普通铝电解电容还是无可替代的选择。 6、超级电容 我们知道电容的基本单位F是一个非常大的单位，我们之前提到的各种电容，大容量的电解电容也是用微法（μF）为单位的。超级电容的电容值从数F到数千F，因此也叫法拉电容，如图6.1所示。 20.png (140.32 KB, 下载次数: 479) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图6.1 大容量的超级电容 超级电容器更多情况下不作为电容看待，而是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置。 我们知道，现有技术造出大功率充电器并不困难，快速充电的瓶颈在蓄电池本身。而超级电容可以不受限制的快速充放电，在一些场合可以替代蓄电池使用。 如图6.2所示，超级电容是极性电容，有横线一侧为负极，单体耐压2.7V居多，小容量有5.5V耐压的。 21.png (185.14 KB, 下载次数: 484) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图6.2 小容量的超级电容 高电压的超级电容都由单体电容串联得到，根据电容串联的基本规律，其耐压加倍而电容值减半。对超级电容组进行充放电需要均压电路，如图6.3所示。 22.png (177.3 KB, 下载次数: 474) 下载附件 2020-3-26 09:41 上传 图6.3 超级电容组 即使是超级电容，其容量相比蓄电池还是偏小，所以它只在某些场合替代蓄电池，例如储存和释放电动汽车刹车制动能量等。

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