標(biāo)題: 電容小結(jié) [打印本頁]
作者: 51黑fan 時間: 2016-1-31 20:52
標(biāo)題: 電容小結(jié)
電容是電路設(shè)計過程中最常用的元件之一，由于電容種類繁多，參數(shù)復(fù)雜，所以在電容的選用上具有一定的難度，而網(wǎng)絡(luò)上所能查到的資料往往不夠全面或有矛盾之處，所以希望通過本文對電容相關(guān)內(nèi)容做一個小結(jié)，以方便后續(xù)工作。
一個比較完整的實際使用的電容模型如下圖：
引線電感：電容引腳本身具有的電感，典型插件電容的引腳電感約為4nH或1nH/mm，0805封裝的表貼電容的總電感約為1nH。
引線電阻：電容引腳本身具有的電阻，在高頻下由于趨膚特性導(dǎo)致電流實際橫截面積減小，引起引線電阻相應(yīng)增大。
介質(zhì)損耗等效電阻：指極板間電介質(zhì)分子極化形成的電偶極子在外加的交流電場的驅(qū)動下發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生能量損耗的等效電阻，這種損耗稱為介質(zhì)損耗。
本體電感：電容主體部分具有的電感，所有具有卷繞結(jié)構(gòu)的電容都有比較大的本體電感，如鋁電解電容、薄膜電容等。
漏電阻：電介質(zhì)本身阻抗并非無窮大，所以會有微量的電流流過電介質(zhì)形成漏電流，漏電流大的電容不適合應(yīng)用于積分電路中。一般電解電容的漏電流大，薄膜電容的漏電流小。
寄生電容：電容與PCB間的雜散分布電容。
下面介紹電路設(shè)計過程中經(jīng)常會涉及到的電容的重要參數(shù)
1、電容量
由于材料和制造工藝的不同，不同類型的電容的容量范圍有很大的不同，列舉如下：
介質(zhì)類型 | 容量范圍 |
云母電容 | 1pf-0.1uF |
低介陶瓷電容 | 1pf-0.01uF |
有機薄膜電容 | 10pf-10uF |
高介陶瓷電容 | 1nF-10uF |
鋁電解電容 | 0.1uF-0.1F |
固體鋁電解電容 | 0.1uF-1000uF |
鉭電解電容 | 0.1uF-1000uF |
活性炭電容 | 22000uF-10F |
如果選用的電容的容量超過對應(yīng)種類的容量范圍，往往導(dǎo)致價格與容量不成比例或無法購買到。當(dāng)然隨著工藝的進(jìn)步同種電容的容量也在向兩邊不斷擴展，但這種擴展是有限的。
實際電容的容量會隨各種環(huán)境因素的變化而變化。
a.電容量的溫度特性：
由于電介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度的變化而變化所以，電容量也跟著變化。
在瓷介電容中NP0屬于Ⅰ類電容，其介質(zhì)屬于溫度補償型，所以其容量隨溫度的變化很小，一般小于+-30ppm，X7R,Y5V,Z5U屬于Ⅱ類電容，其容量隨溫度的變化較大。
X7R電容當(dāng)溫度在-55℃--+125℃時其容量變化為+-15%。
Y5V 在-30℃--85℃范圍內(nèi)其容量變化可達(dá)+22%--82%。
Z5U在+10℃-- +85℃ 溫度特性 +22% -- -56%。
b.電容量的電壓特性：
對于高介電常數(shù)的的瓷介電容如X7R,Y5V,Z5U，容易出現(xiàn)介質(zhì)極化飽和現(xiàn)象，其介電常數(shù)會隨著電壓的升高而減小，導(dǎo)致在較高電壓時電容量下降，這種現(xiàn)象在低介電常數(shù)的電容中不容易出現(xiàn)，比如，NP0電容，鋁電解電容，薄膜電容等。
在音頻耦合電路中，Uo=Ui*Ri/ (Ri+Xc)，Ri為次級輸入電容，Xc為偶爾電容的容抗。
如果Xc隨Ui變化而變化，就會導(dǎo)致Uo與Ui呈非線性關(guān)系，出現(xiàn)諧波失真（THD）。所以在音頻耦合電路中應(yīng)避免使用瓷介電容。
2、額定電壓和極性
為了減小電容的體積，增加電容的容量，常用電容的兩極板間的電介質(zhì)往往非常的薄，為了防止薄電介質(zhì)被強電場擊穿，所以必須限定電容兩端的所能施加的最大電壓，也就是額定電壓。
鋁電解電容的一個極板為鋁片，另一個極板為電解質(zhì)，為防止兩級之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)損傷電介質(zhì)氧化膜，必須使得鋁片為正極，電解質(zhì)為負(fù)極。如果鋁電解電容長期放置不用電介質(zhì)膜也會慢慢溶解導(dǎo)致漏電流增加，此時給電容加上一個接近額定電壓的正電壓一小段時間后電介質(zhì)膜會自動修復(fù)，恢復(fù)到正常狀態(tài)。這也是部分老舊電器長時間放置不用后性能會下降，上電一段時間后性能會自動恢復(fù)的重要原因之一。
3、自諧振頻率：
由于電容引線上的電感和部分類型電容極板本身的螺旋結(jié)構(gòu)具有的電感，與電容本身構(gòu)成了一個串聯(lián)LC諧振電路，所以電容具有一個諧振頻率，在這個諧振點上電容的阻抗最低，其阻抗特性曲線為“V”字形，最低阻抗約為引線電阻和本體電阻的串聯(lián)值2*R1+Re，低于這個頻率電容呈“容性”，高于這個頻率時呈“感性”。
電解電容的諧振頻率在100KHz左右，所以在DC/DC后端不能使用電解電容作為其濾波電容（DC/DC開關(guān)頻率一般在300KHz以上）。
在EMI試驗中，可以利用電容諧振時阻抗很低的特性，選擇適當(dāng)容量的電容，焊接在輻射源的電源上，加強諧振頻率附近的電容退偶作用，可以有效地減低特定頻率上的輻射量。
表貼瓷介電容的諧振頻率與容量有關(guān)，對應(yīng)關(guān)系大致如下表，單位是MHz
容值 | 105 | 104 | 103 | 102 | 101 | 10 |
0805 | 5 | 16 | 50 | 160 | 500 | 1600 |
0603 | 7.5 | 24 | 75 | 240 | 750 | 2400 |
其它封裝的瓷介電容的自諧振頻率可以根據(jù)下表不同封裝對應(yīng)的電感量自行計算。
封裝 | 0603 | 0805 | 1206 | 1210 |
電感 | 0.87nH | 1.05nH | 1.2nH | 0.98nH |
4、等效串聯(lián)電阻（ESR）
等效串聯(lián)電阻為引線電阻和介質(zhì)損耗等效電阻的和，即ESR=R1+Re。
ESR受電容耐壓、容量和頻率影響都很大，比較難以掌握，一般地，耐壓越高、容量越大、頻率越高其ESR越低。
4.7uH/16V、Y5V、 1206封裝電容在1KHz是其ESR約為1歐，100KHz以上時約為幾十毫歐。同規(guī)格X7R介質(zhì)電容ESR約為其的一半。
5、損耗角正切（DF）：
由于引線電阻和介質(zhì)損耗等效的存在，流過電容的正弦電流與電容上的電壓的的相位差并非嚴(yán)格等于-90°，而是比-90°稍小的一個值，這個角與-90°的差值即為損耗角，其正切值記為tanσ。數(shù)值上tanσ=Zr/Zc，由于Zc 隨頻率升高而減小，所以損耗角正切它隨頻率升高而增大。所以要測試比較兩個電容的損耗角正切，需要在相同的頻率下進(jìn)行。
從能量損耗的角度看，由于引線電阻和介質(zhì)損耗的存在，電流流過電容時會因發(fā)熱會導(dǎo)致能量損耗。損耗角正切描述的是電容上發(fā)熱損耗的功率與通過電容的無功功率的比值，所以我們稱之為“損耗”角，而不是用其它稱呼。
ESR與DF的可以用公式ESR=DF/Xc=DF/2πfC 進(jìn)行換算。
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