话说电容之一：电容的作用

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1、作为无源元件之一的电容，其作用不外乎以下几种：1、应用于电源电路，实现旁路、去藕、滤波和储能的作用。下面分类详述之：1）旁路旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化， 降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进 行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地 管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地弹是地连 接处在通过大电流毛刺时的电压降。2）去藕去藕，又称解藕。从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变， 在上升沿比较陡峭的时候

2、，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源 电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这 种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就 是所谓的“耦合”。去藕电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合 的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗 泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.川F、0.0川F等； 而去耦合电容的容量一般较大，可能是10p F或者更大，依据电路中分布参数、 以及驱动电流的变

3、化大小来确定。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为 滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。3）滤波从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也 越高。但实际上超过川F的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频 率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电 容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低 频。电容越大低频越容易通过，电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中，大 电容（1000p F）滤低频，小电容（20pF）滤高频。曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘。 由于电

4、容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像 个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转化为电流的变化， 频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。滤波就是充电，放电的过程。4）储能储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至 电源的输出端。电压额定值为40450VDC、电容值在220150 000p F之间 的铝电解电容器（如EPCOS公司的B43504或B43505）是较为常用的。根据 不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式，对于功率级超 过10KW的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。2、

5、应用于信号电路，主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用：1）耦合举个例子来讲，晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号 产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合，这个电阻就是产生了耦合的 元件，如果在这个电阻两端并联一个电容，由于适当容量的电容器对交流信号较小的阻抗，这样就减小了电阻产生的耦合效应，故称此电容为去耦电容。2) 振荡/同步包括RC、LC振荡器及晶体的负载电容都属于这一范畴。3) 时间常数这就是常见的R、C串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时，电容(C)上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通 过电阻(R)、电容(C)的特性通过下面的公

6、式描述：i = (V / R)e - (t / CR)话说电容之二：电容的选择通常，应该如何为我们的电路选择一颗合适的电容呢？笔者认为，应基于以 下几点考虑：1、静电容量；2、额定耐压；3、容值误差；4、直流偏压下的电容变化量；5、噪声等级；6、电容的类型；7、电容的规格。那么，是否有捷径可寻呢？其实，电容作为器件的外围元件，几乎每个器件 的Datasheet或者Solutions，都比较明确地指明了外围元件的选择参数，也 就是说，据此可以获得基本的器件选择要求，然后再进一步完善细化之。其实选用电容时不仅仅是只看容量和封装，具体要看产品所使用环境，特殊 的电路必须用特殊的电容。下面是chip

7、capacitor根据电介质的介电常数分类，介电常数直接影响电 路的稳定性。NP0 or CH (K 150)：电气性能最稳定，基本上不随温度、电压与时 间的改变而改变，适用于对稳定性要求高的高频电路。鉴于K值较小，所以在 0402、0603、0805封装下很难有大容量的电容。如0603 一般最大的10nF 以下。X7R or YB (2000 K 4000)：电气性能较稳定,在温度、电压与时 间改变时性能的变化并不显著(?C 15000)： 容量稳定性较 X7R 差(？C +20% -80%)，容量、损耗对温度、电压等测试条件较敏感，但由于其K值较大，所以 适用于一些容值要求较高的场合。话说

8、电容之三：电容的分类电容的分类方式及种类很多，基于电容的材料特性，其可分为以下几大类：1、铝电解电容电容容量范围为0.川F22000p F,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。2、薄膜电容电容容量范围为0.1pF10p F,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。3、钽电容电容容量范围为2.2p F560p F，低等效串联电阻（ESR）、低等效串联 电感（ESL）。脉动吸收、瞬态响应及噪声抑制都优于铝电解电容，是高稳定电 源的理想选择。4、陶瓷电容电容容量范围为0.5pF100p F，独特的材料和薄膜技术的

9、结晶，迎合了 当今“更轻、更薄、更节能“的设计理念。5、超级电容电容容量范围为0.022F70F，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。话说电容之四：多层陶瓷电容（MLCC）对于电容而言，小型化和高容量是永恒不变的发展趋势。其中，要数多层陶 瓷电容（MLCC）的发展最快。多层陶瓷电容在便携产品中广泛应用极为广泛，但近年来数字产品的技术进 步对其提出了新要求。例如，手机要求更高的传输速率和更高的性能；基带处理 器要求高速度、低电压；LCD模块要求低厚度（0.5mm）、大容量电容。

10、而汽 车环境的苛刻性对多层陶瓷电容更有特殊的要求：首先是耐高温，放置于其中的 多层陶瓷电容必须能满足150r的工作温度；其次是在电池电路上需要短路失 效保护设计。也就是说，小型化、高速度和高性能、耐高温条件、高可靠性已成为陶瓷电 容的关键特性。陶瓷电容的容量随直流偏置电压的变化而变化。直流偏置电压降低了介电常 数，因此需要从材料方面，降低介电常数对电压的依赖，优化直流偏置电压特 性。应用中较为常见的是X7R （X5R）类多层陶瓷电容，它的容量主要集中在 1000PF以上，该类电容器主要性能指标是等效串联电阻（ESR），在高波纹电 流的电源去耦、滤波及低频信号耦合电路的低功耗表现比较突出。另一类

11、多层陶瓷电容是C0G类，它的容量多在1000pF以下，该类电容 器主要性能指标是损耗角正切值tg6 （DF）。传统的贵金属电极（NME）的C0G 产品DF值范围是（2.08.0） X 10-4，而技术创新型贱金属电极（BME）的 类产品在载有T/R模块电路的GSM、CDMA、无绳电话、蓝牙、GPS系统中 低功耗特性较为显著。较多用于各种高频电路，如振荡/同步器、定时器电路等。 话说电容之五：钽电容替代电解电容的误区C0G产品DF值范围为（1.02.5） X 10-4，约是前者的3150%。该通常的看法是钽电容性能比铝电容好，因为钽电容的介质为阳极氧化后生成 的五氧化二钽，它的介电能力（通常用8

12、表示）比铝电容的三氧化二铝介质要高。 因此在同样容量的情况下，钽电容的体积能比铝电容做得更小。（电解电容的电 容量取决于介质的介电能力和体积，在容量一定的情况下，介电能力越高，体积 就可以做得越小，反之，体积就需要做得越大）再加上钽的性质比较稳定，所以 通常认为钽电容性能比铝电容好。但这种凭阳极判断电容性能的方法已经过时了，目前决定电解电容性能的关 键并不在于阳极，而在于电解质，也就是阴极。因为不同的阴极和不同的阳极可 以组合成不同种类的电解电容，其性能也大不相同。采用同一种阳极的电容由于 电解质的不同，性能可以差距很大，总之阳极对于电容性能的影响远远小于阴极。 还有一种看法是认为钽电容比铝电

13、容性能好，主要是由于钽加上二氧化锰阴 极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。如果把铝电解液电容的阴极更换为 二氧化锰，那么它的性能其实也能提升不少。可以肯定，ESR是衡量一个电容特性的主要参数之一。但是，选择电容， 应避免ESR越低越好，品质越高越好等误区。衡量一个产品，一定要全方位、 多角度的去考虑，切不可把电容的作用有意无意的夸大。-以上引用了部分网友的经验总结。普通电解电容的结构是阳极和阴极和电解质，阳极是钝化铝，阴极是纯铝， 所以关键是在阳极和电解质。阳极的好坏关系着耐压电介系数等问题。一般来说，钽电解电容的ESR要比同等容量同等耐压的铝电解电容小很多， 高频性能更好。如果那个电容是

14、用在滤波器电路（比如中心为50Hz的带通滤波 器）的话，要注意容量变化后对滤波器性能（通带.）的影响。话说电容之六：旁路电容的应用问题嵌入式设计中，要求MCU从耗电量很大的处理密集型工作模式进入耗电量 很少的空闲/休眠模式。这些转换很容易引起线路损耗的急剧增加，增加的速率 很高，达到20A/ms甚至更快。通常采用旁路电容来解决稳压器无法适应系统中高速器件引 起的负载变化，以确保电源输出的稳定性及良好的瞬态响应。旁路电容是为本地器件提供能 量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁 路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽 量靠近负载

15、器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致 的地电位抬高和噪声。地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。应该明白，大容量和小容量的旁路电容都可能是必需的，有的甚至是多个陶瓷电容和钽电容。这样的组合能够解决上述负载电流或许为阶梯变化所带来的问 题，而且还能提供足够的去耦以抑制电压和电流毛刺。在负载变化非常剧烈的情 况下，则需要三个或更多不同容量的电容，以保证在稳压器稳压前提供足够的电 流。快速的瞬态过程由高频小容量电容来抑制，中速的瞬态过程由低频大容量来 抑制，剩下则交给稳压器完成了。还应记住一点，稳压器也要求电容尽量靠近电压输出端。话说电容之七：电容的等效串联电阻ESR普遍

16、的观点是：一个等效串联电阻（ESR）很小的相对较大容量的外部电容 能很好地吸收快速转换时的峰值（纹波）电流。但是，有时这样的选择容易引起 稳压器（特别是线性稳压器LDO）的不稳定，所以必须合理选择小容量和大容 量电容的容值。永远记住，稳压器就是一个放大器，放大器可能出现的各种情况 它都会出现。由于DC/DC转换器的响应速度相对较慢，输出去耦电容在负载阶跃的初始 阶段起主导的作用，因此需要额外大容量的电容来减缓相对于DC/DC转换器 的快速转换，同时用高频电容减缓相对于大电容的快速变换。通常，大容量电容 的等效串联电阻应该选择为合适的值，以便使输出电压的峰值和毛刺在器件的 Dasheet规定之内

17、。高频转换中，小容量电容在0.0川F到0.川F量级就能很好满足要求。表 贴陶瓷电容或者多层陶瓷电容（MLCC）具有更小的ESR。另外，在这些容值 下，它们的体积和BOM成本都比较合理。如果局部低频去耦不充分，则从低 频向高频转换时将引起输入电压降低。电压下降过程可能持续数毫秒，时间长短 主要取决于稳压器调节增益和提供较大负载电流的时间。用ESR大的电容并联比用ESR恰好那么低的单个电容当然更具成本效 益。然而，这需要你在PCB面积、器件数目与成本之间寻求折衷。话说电容之八：电解电容的电参数这里的电解电容器主要指铝电解电容器，其基本的电参数包括下列五点：1、电容值电解电容器的容值，取决于在交流电

18、压下工作时所呈现的阻抗。因此容值， 也就是交流电容值，随着工作频率、电压以及测量方法的变化而变化。在标准 JISC 5102规定：铝电解电容的电容量的测量条件是在频率为120Hz，最大交 流电压为0.5Vrms，DC bias电压为1.5 2.0V的条件下进行。可以断言， 铝电解电容器的容量随频率的增加而减小。2、损耗角正切值Tan 6在电容器的等效电路中，串联等效电阻ESR同容抗1/3 C之比称之为Tan 6，这里的ESR是在120Hz下计算获得的值。显然，Tan 6随着测量频率 的增加而变大，随测量温度的下降而增大。3、阻抗Z在特定的频率下，阻碍交流电流通过的电阻即为所谓的阻抗（Z）。它与

19、电 容等效电路中的电容值、电感值密切相关，且与ESR也有关系。Z = V ESR2 + （XL - XC）2 展峻的笔记 http:/xabai.21ic.org9式中，XC = 1 / w C = 1 / 2n fCXL = w L = 2n fL电容的容抗（XC）在低频率范围内随着频率的增加逐步减小，频率继续增加 达到中频范围时电抗（XL）降至ESR的值。当频率达到高频范围时感抗（XL） 变为主导，所以阻抗是随着频率的增加而增加。4、漏电流电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。然而，由于铝氧化膜介质上 浸有电解液，在施加电压时，重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小 的称之为漏电

20、流的电流。通常，漏电流会随着温度和电压的升高而增大。5、纹波电流和纹波电压在一些资料中将此二者称做“涟波电流”和“涟波电压”，其实就是ripple current，ripple voltage。含义即为电容器所能耐受纹波电流/电压值。它们和 ESR之间的关系密切，可以用下面的式子表示：Urms = Irms X R式中，Vrms表示纹波电压Irms表示纹波电流R 表示电容的 ESR由上可见，当纹波电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，涟波 电压也会成倍提高。换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是 要求电容具备更低ESR值的原因。叠加入纹波电流后，由于电容内部的等效串 连电

21、阻（ESR）引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。一般的，纹波电流与 频率成正比，因此低频时纹波电流也比较低。话说电容之九：电容器参数的基本公式1、容量（法拉）英制：C = （ 0.224 X K - A） / TD公制：C = （ 0.0884 X K - A） / TD2、电容器中存储的能量E = ? CV23、电容器的线性充电量1 = C （dV/dt）4、电容的总阻抗（欧姆）Z = V RS2 + （XC - XL）2 5、容性电抗（欧姆）XC = 1/（2n fC）6、相位角0理想电容器：超前当前电压90o理想电感器：滞后当前电压90o理想电阻器：与当前电压的相位相同7、耗散系数（%

22、）D.F. = tan 6（损耗角）= ESR / XC=（2n fC）（ESR）8、品质因素Q = cotan 6 = 1/ DF9、等效串联电阻ESR (欧姆)ESR = (DF) XC = DF/ 2n fC10、功率消耗Power Loss = (2n fCV2) (DF)11、功率因数PF = sin 6 (loss angle) - cos 0 (相位角)12、均方根rms = 0.707 X Vp13、千伏安KVA (千瓦)KVA = 2n fCV2 X 10-314、电容器的温度系数T.C. = (Ct - C25) / C25 (Tt - 25) X 10615、容量损耗(%

23、)CD = (C1 - C2) / C1 X 10016、陶瓷电容的可靠性L0 / Lt = (Vt / V0) X (Tt / T0)Y17、串联时的容值n 个电容串联：1/CT = 1/C1 + 1/C2 + . + 1/Cn 两个电容串联：CT = C1 - C2 / (C1 + C2)18、并联时的容值CT = C1 + C2 + . + Cn19、重复次数(Againg Rate)A.R. = % ?C / decade of time上述公式中的符号说明如下：K =介电常数A =面积TD =绝缘层厚度V =电压t =时间RS =串联电阻f =频率L =电感感性系数6 =损耗角0 =

24、相位角L0 =使用寿命Lt =试验寿命Vt =测试电压V0 =工作电压Tt =测试温度T0 =工作温度X , Y =电压与温度的效应指数。话说电容之十：电源输入端的X,Y安全电容在交流电源输入端，一般需要增加三个电容来抑制EMI传导干扰。交流电源的输入一般可分为三根线：火线（L） /零线（N）/地线（G）。在 火线和地线之间及在零线和地线之间并接的电容，一般称之为Y电容。这两个Y 电容连接的位置比较关键，必须需要符合相关安全标准，以防引起电子设备漏电 或机壳带电，容易危及人身安全及生命，所以它们都属于安全电容，要求电容值 不能偏大，而耐压必须较高。一般地，工作在亚热带的机器，要求对地漏电电流

25、不能超过0.7mA；工作在温带机器，要求对地漏电电流不能超过0.35mA。因此， Y电容的总容量一般都不能超过4700pF。特别提示：Y电容为安全电容，必须取得安全检测机构的认证。Y电容的耐 压一般都标有安全认证标志和AC250V或AC275V字样，但其真正的直流耐压 高达5000V以上。因此，Y电容不能随意使用标称耐压AC250V，或DC400V 之类的普通电容来代用。在火线和零线抑制之间并联的电容，一般称之为X电容。由于这个电容连接 的位置也比较关键，同样需要符合安全标准。因此，X电容同样也属于安全电容 之一。X电容的容值允许比Y电容大，但必须在X电容的两端并联一个安全电 阻，用于防止电源

26、线拔插时，由于该电容的充放电过程而致电源线插头长时间带 电。安全标准规定，当正在工作之中的机器电源线被拔掉时，在两秒钟内，电源 线插头两端带电的电压（或对地电位）必须小于原来额定工作电压的30%。同理，X电容也是安全电容，必须取得安全检测机构的认证。X电容的耐压 一般都标有安全认证标志和AC250V或AC275V字样，但其真正的直流耐压高 达2000V以上，使用的时候不要随意使用标称耐压AC250V，或DC400V之类 的的普通电容来代用。X电容一般都选用纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容，这种电容体积一般都 很大，但其允许瞬间充放电的电流也很大，而其内阻相应较小。普通电容纹波电 流的指标都很低，

27、动态内阻较高。用普通电容代替X电容，除了耐压条件不能 满足以外，一般纹波电流指标也是难以满足要求的。实际上，仅仅依赖于Y电容和X电容来完全滤除掉传导干扰信号是不太可能 的。因为干扰信号的频谱非常宽，基本覆盖了几十KHz到几百MHz，甚至上千 MHz的频率范围。通常，对低端干扰信号的滤除需要很大容量的滤波电容，但 受到安全条件的限制，Y电容和X电容的容量都不能用大；对高端干扰信号的滤 除，大容量电容的滤波性能又极差，特别是聚脂薄膜电容的高频性能一般都比较 差，因为它是用卷绕工艺生产的，并且聚脂薄膜介质高频响应特性与陶瓷或云母 相比相差很远，一般聚脂薄膜介质都具有吸附效应，它会降低电容器的工作频率

28、， 聚脂薄膜电容工作频率范围大约都在1MHz左右，超过1MHz其阻抗将显著增 加。因此，为抑制电子设备产生的传导干扰，除了选用Y电容和X电容之外，还 要同时选用多个类型的电感滤波器，组合起来一起滤除干扰。电感滤波器多属于 低通滤波器，但电感滤波器也有很多规格类型，例如有：差模、共模，以及高频、 低频等。每种电感主要都是针对某一小段频率的干扰信号滤除而起作用，对其它 频率的干扰信号的滤除效果不大。通常，电感量很大的电感，其线圈匝数较多， 那么电感的分布电容也很大。高频干扰信号将通过分布电容旁路掉。而且，导磁 率很高的磁芯，其工作频率则较低。目前，大量使用的电感滤波器磁芯的工作频 率大多数都在75MHz以下。对于工作频率要求比较高的场合，必须选用高频环 形磁芯，高频环形磁芯导磁率一般都不高，但漏感特别小，比如，非晶合金磁芯， 坡莫合金等。