硬件基础知识补全计划【二】电容

崔佳宇_

已于 2024-11-08 18:21:49 修改

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分类专栏：硬件设计文章标签： 1024程序员节

于 2024-10-29 23:27:00 首次发布

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一、电容理论

1.1 电容定义

两个相互靠近的金属板中间夹一层绝缘介质组成的器件，当两端存在电势差时，由于介质阻碍了电荷移动而累积在金属板上，衡量金属板上储存电荷的能力称之为电容，相应的器件称为电容器。

电容的符号为 C，单位为法拉 (F)。电容越大,储存电荷的能力越强。

1.2 换算关系

基本单位是 F一般很少用到这么的单位。比较常用的有：

1.3 定义式和决定式

1.2.1 定义式

C - 电容；Q - 电荷量；U - 电势差

在电路学里，在电势差 1V 下，电容器的储存电荷的能力，称为电容。

1.2.2 决定式

其中：ε是相对介电常数；

s为电容两极板的正对面积；
d为电容两极板之间的距离;
k是一个常量，静电力常量；

可以看出：电容的大小和面积 s 成正比,和距离 a 成反比。这个公式非常重要，PCB设计中，减少寄生电容，会用到。

1.4 电压充放电路公式

其中 du/dt 是电压和时间的导数，可见，当电容器充电或放电时，电流 i 流过电容器，导致电容器两端的电压 u 发生变化。根据这个公式，电流 i 与电压变化率成正比，这意味着电压变化越快，流过电容器的电流就越大。

电容两端的电压也是不能跳变的，因为根据这个公式来看，电压跳变后导数会趋近无穷，也就是电流会无穷大。

1.5 容抗公式与滤波

Xc - 容抗(电容的电阻)；F - 频率；C - 电容

观察上述公式就可以发现：当电容值恒定时，频率越高容抗越小；而当频率一定时，电容越大容抗越小。而对于频率 F=0 的直流信号，电容的容抗 Xc=无穷即相当于短路。

此公式非常有用，我们用它推导电容滤波，RC 滤波，或者分析电容在交流电路的表现等。

我们只需要将输入或者输出端加上如 C1、C2 两颗电阻，根据阻抗公式来看，F=0 的直流信号不会流入地，交流纹波则会流入地，从而起到滤波效果。

我们仅从阻抗公式来看，电容越大滤波效果越好，但是为什么滤波通常都有一大一小两颗电容呢，因为除了除了容值，ESR值也是非常重要的参数，这个参数决定了电容的工作频谱范围。在下面会说到。

其中 C1 和 C2 即是滤波电容。

1.5 串联和并联

1.6 电容类型

滤波电容、旁路电容、耦合电容、退耦电容，自举电容等。在应用案例我们详细解释。

二、参数

最重要的参数有五个，分别是精度、温度系数、耐压、温度范围和ESR。

2.1 精度

电容和电阻不同，电阻精度可以做到高于 0.1%，而电容的话 5% 精度非常高的了。一般为 5%，10%，25% 等。

2.2 温度系数

电容的电容量会随着温度的上升而下降(低于工作温度后也会明显下降)，同样电容的温度系数的单位为PPM。
比如一个0.1UF，250ppm的电容，温度每升高1℃，其电容量要降低。

MLCC（一般指贴片陶瓷电容）里面常用的有：NP0，C0G，Y5V，Z5U、X7R，X5R 等。

C0G（即 NP0 电容，两者为同一物体），NP0 是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。NP0 电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器，在温度从 -55℃ 到 +125℃ 时容量变化为 0±30ppm/℃。

C0G 电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容，以及高频电路中的耦合电容。C0G电容堪称完美，但是有个缺点是：不能做大容量，常见最大容量的 C0G 电容为 0.47uF，且价格较贵。

除此之外，常见的 MLCC 还有 C0G，Y5V，Z5U、X7R，X5R 等。NP0，C0G 温度特性平稳、容值小、价格高；Y5V，Z5U温度特性大、容值大、价格低；X7R、X5R则介于以上两种之间。

C0G电容器具有高温度补偿特性，适合作旁路电容和耦合电容。
X7R电容器是温度稳定型陶瓷电容器，适合要求不高的工业应用。
Z5U电容器特点是小尺寸和低成本，尤其适合应用于去耦电路。
Y5V电容器温度特性最差，但容量大，可取代低容铝电解电容。

其中做代表的含义如下，如 X7R 是最低温度 -55°，最高温度+125°，误差15%

2.3 耐压

电容的电容量会随着其两端的电压增大而减小。
理论上电容的耐压要比所处环境的电压最大值大即可，实际使用时需要留有 80% 的裕量，比如某处的电压最高为 8V，则需要选用耐压为 10V 以上的产品。
特别是钽电容，钽电容一定要小心伺候，钽电容的性格极其暴烈，它是一种有极性电容，接反必爆炸，必起火。再就是钽电容的耐压必须留有 50% 的裕量，比如某处的电压最高为 8V，则需要选用耐压为 16V 以上钽电容，否则产品极不稳定。

2.4 温度范围

电容必须在其规定的温度范围内使用，比如电解电容一般使用于 105℃ 以下，150℃ 的高温应用可以选用钽电容和 NP0 电容。

2.5 ESR

其中 ESR 非常重要，一般的 DCDC 电源输出端需要 ESR 极低的电容，如 MLCC ，钽电容等。

C	电容器的标称值表11中列出了标准电容值
ESR	等效串联电阻理想值为0陶瓷电容器具有最佳的 ESR (通常为毫欧级)。电解电容器的 ESR 为数百毫欧，而铝电解电容器的 ESR 为欧姆级。
ESL	等效串联电感理想值为0 ESL范国在 100pH 至1 0nH 之间
Rp	Rp 为并联泄露电阻(或称为绝缘电阻)理想值为无穷大其范围可以从某些电解电容器的数十兆欧，至陶瓷电容器的几十千兆欧。