张飞硬件班笔记之电容
时间：2022-07-05 00:00:00
无感 CBB 电容器具有无感、高频特性好、体积小等优点。
无感 CBB 缺点:不适合容量大，价格高，耐热性差。
瓷片电容器：其优点是体积小、耐压性高、价格低、频率高。瓷片电容器也被广泛使用。那么瓷片电容器的缺点是： 易碎！容量低，这取决于它的体积。
电解电容：其优点是容量大，价格相对便宜。电解电容的缺点是高频特性不是很好。
钽电容器： 其优点是稳定性好、容量大、频率高。钽电容器的缺点是：价格相对较高，所以钽电容器使用不多，但也很有用。真的没有价格要求，所以使用钽电容器也可以啊。
事实上，对于电容器，我们记住这些，其他很少使用：
1、瓷片 2、电解电容 3、安规电容(X,Y) 4、CBB 电容 5、钽电容
问:CBB 电容器主要用于什么电路？
答:更多地使用高压高频。也用于滤波。
问:为什么电压高，容量小？
答:这是由电容生产过程决定的，瓷片电容注定是这样的。CBB 电容体积大，电压高，容量大。
问:电阻包装代表功率，电容包装？
答:比如 0603 可以做 1μF 也可以做 100pf但是 要做 1000μF做不到 1000pF-1uf 制成 0603 是为了统一包装。包装越大，容量越大，耐压性越大。
100nF 电容器常用于什么场合？它有什么作用？
一般用于电源退耦部分，主要并联在大电解电容旁边，用于去除高谐波干扰。
问:这个 104 电容器也是老师芯片电源引脚接的原理吗？
答:是的，高次谐波干扰应使用 104 瓷片
介绍电容器制造商
国内: FH(风华)、faratronic(厦门法拉)，Jianghai(南通江海)，lelon(台湾立隆)， ST(先科)、YAGEO福建国光(国巨)。
国外: muRata(村田)、Nichicon(尼吉康)，rubycon(红宝石)，SAMSUNG(三星)， TAIYO YUDEN(太诱)、TDK、VISHAY(威世)。
问:老师有这个摆放的说法吗？还是经验？
答:过滤高频离芯片近，如果远，会有更多的寄生电感，瓷电容效果 不太好，电解电容是储能，影响不大
1210及以下封装一般用于低压电路
1812及以上一般用于高压电路
你也可以了解电容器的工作电压。一般默认 1uF 以下瓷片电容电压为直流 50V，一般大于 1uF 以上瓷片的电容电压会降低，如果包装更大，耐压性会更高。
芯片电容，通常是电解电容并联瓷片电容，电解电容 10μ以上，瓷片电容是 100nf 的样子。
解释几个需要掌握的关键参数
1)在选择电容时，必须考虑标称容值 这个容值。
比如这些都是标称容量，对吧？
2)耐压
我们还必须考虑耐压参数。如果耐压性不够，电容器很容易爆炸。我们还必须考虑耐压 参数。如果耐压性不够，电容器很容易爆炸。
3)温度等级
例如，不同材料对应的温度范围不同，温度范围越宽，电容 的适应范围越广。
4)误差等级
这个误差是电容器的标称值和测量值之间不能有所不同。正常测量值应满足标的误差范围。这意味着该容量值允许有一定范围的波动。如果超过该波动 的范围，则该电容器的生产将不符合要求
5)材质
NPO 基本上是最好的材料。最好的瓷片电容器。但是价格比较贵， 在非特殊场所很少使用。
6)封装
0402 0603 0805 12061210 等等。0805本来就是代表 他的尺寸，一个是长，一个是宽，唯一可能存在差异的是厚度问题，我们关心: 材质、精度、容量、封装、耐压，厚度不用管
芯片旁边需要放置几微法的电容 瓷片电容
1uf 2.2uf 3.3uf 4.7uf
还需放置104电容
集成芯片周边的电阻网络功耗 电阻网络：电阻，电容，光耦，三极管，二极管
放置10uf和104电容
电容中的 PPM/°C介绍
PPM/°C 就是电容的容量随温度的变化而变化。举个例子来说就是 :假设 一个1nF的电容，标识1000 PPM/°C，也就是代表温度每上升1°C，电容的容量 变化为1pF。你要知道你选的电容的容值，然后 PPM是百万分之一，根据这个 关系计算就行了。
电容材质 X7R 的解释
X7R:其中的“X”表示低温-55°C，“7”表示高温 125°C，“R”表示在-55°C 到+125°C之间的电容容量的变化为正负 15%。
电容特性
我们说电容能够存储能量是吧，它的存储能量的形式是电荷数是吧，电荷数 越多，存储能量也就越大。
电容器极板上电量与电压的关系式 q = CU，U表示装的水的高度，C表 示装水的容器的截面积。那这样我们是不是可以得出以下结论:
相等电量 q,电容越大，则电压值越低;电容越小，电压值越高。
相等电压U，电容越大，则存储电量越多，电容越小，则存储电量越小。
电容的容抗特性
电容是有容抗的，电容的容抗与 频率 有关，也与容量是有关系的，这 个就是电容的容抗公式
当电容充满电的时候，就没有电流流过了，所以电容具有通交隔直的作用。前提是无极性电容
电容的高频等效模型
为电感串联电容和电阻的并联
高频等效电阻总阻抗：电感阻抗+电容阻抗和电阻阻值的并联（相乘/相加）
高频一定要考虑阻性和感性
电容参数的选择和计算讲解
第一步：电容在电路中所在节点的电压确定
分别用一个直流电路和一个交流电路
第二步：电路节点电压下降一定余量后作为电容实际上限电压
电容的标称电压大于电容的额定电压，电容的耐压值一般1.5倍余量 经验值：标称电压等于1.5倍到2倍额定电压
第三步：从大脑中调取电容标称电压值
第四步：电容容值的确定
输入电解电容经验选取法
输入电解电容快速估算法
输入电解电容正式计算法
输入电解电容实际测量验证法
波形测量 温度测试
第五步：根据结构的实际需求选取电容的体型
瘦高型，矮胖型
第六步：根据生产加工工艺要求选择电容的贴装
贴片封装，插件封装
第七步：根据生产成本的要求选择电容的封装
低压 高压
小容量 贴片封装 便宜 偏贵
小容量 插件封装 稍微便宜 偏贵
大容量 贴片封装 有点贵 很贵
大容量 插件封装 有点贵 特别贵
总结：
从加工角度：能选贴片，不选插件
从电压角度：低压尽量选贴片，高压尽量选插件
容量：小容量选贴片，大容量选插件
材质：贴片尽量选X7R，如果成本允许，10nf以下容值选择NPO材质
1uf以下可以选择0603封装 一般耐压50V
1uf，2.2uf，3.3uf，4.7uf可以选择0805封装 标称值10，16V
4.7uf，6.8uf，10uf可以选择1206封装 标称值16，25V
不高于35V可以选择贴片铝电解电容
选小了：电压纹波大，因为电流纹波大，电容有容抗；电容温升高，电解液挥发，寿命，容值会下降因为有 ESR；
电容电压纹波率讲解
电容电压的纹波率 = 峰峰值/直流分量， 纹波率可以用这个公式来进行求解。
假设峰峰值是 50mV，那么大家是否可以把电压 纹波率计算出来啊?
电容电压的纹波率 = 峰峰值/直流分量
电容电压的纹波率 = 50mV / 5V * 100% = 1%
小电流几安培以下 1% 电流几十安培以上 3%-8%
怎么减小纹波:
第一点:最简单的方法，是不是可以增大电容的容量啊?
第二点:我们可以降低所选电容的 ESR，比如说，可以选择两个电解电容并 联使用 例如一个1000uF的电容，我们可以使用两个470uF的电容并联。
第三点:还有一个办法就是 如果纹波实在过不了的话，可以在后级加LC 滤波电路，这样也可以让交流纹波得到衰减。
能按频率范围分别说一下:去耦电容、旁路电容的值一般多少比较合适?
答:一般就一个 104 就可以了。知道是滤除高频就好了，这才是本质。
为什么要加电容，我们给大家总结了几点:
1)PCB 板级上面的走线会有阻抗和感抗，会限制最大电流的传输。
2)PCB 上增加电容是为了降低板上电源回路中节点的内阻。
3)增加电容可以应变负载的急剧变化，电容也能提供后续负载所需要的瞬态电流。(电容可以解决负载的瞬态电流)
4)在大电流的系统中，采用多个电容并联的方式可以有效降低内阻。
问:一般并几个为好?
答:一般建议 2 个左右就可以了，不要小于 470uF 。
直流电源上耦合的高次谐波(毛刺波)是怎么产生的及如 何解决?
产生：电源本身的，周围工作电器 自身负载含有丰富的高次谐波
相同容量瓷片电容比电解电容更容易滤除高频。
容量越小，滤除高频毛刺效果更好。容量越大，高频越不容易进去。
比如10uf 适合1KHZ以下
1uf 适合1KHZ到10KHZ
0.1uf 适合10KHZ到100KHZ
瞬间消耗电流
当电容电压相对稳定之后
电容上面的电流为0，容抗接近无穷大
负载相当于一个动态的电阻，是一个有限值
当电容电压从0V开始充电
第一步：电容的电压为0V 电容等效为短路 后极负载被电容短路且没有电流
电源的电流全部从电容流过
第二步：电容的电压为一半 电容等效为一个阻值 后极负载跟电容等效为电阻并联
电源的电流一部分从电容流
电源的电流另一部分从电阻流
第三步：电容的电压升为电源电压 电容等效为一个无穷大电阻
只剩下后极负载
电源的电流全部从负载电阻流
谐波这个东西大概了解一下吧，我给大概介绍一下是什么概念，比如，我们 芯片输出一个 100K 的 PWM 波，那么，这个波形，就只会影响 100K 频率这点吗? 比如 EMI 测试频率范围是:150K-30M 这个频率范围。如果有一个 100K 频率的 PWM 波，看似，100K 没有在 150K-30M 这个频率范围是吧?实际上这个只是表象，实 际会对 150-30M 这个频段会产生一定的干扰的。
多种不同频率的正弦波，叠加后，就有可能成为一个方波，那么，反过来呢， 是不是一个方波，同样可以分解成，n 个各种频率的正弦波的叠加呢?比如方波， 可以分:1 次 3 次 5 次........1 次就是 100K，3 次就是 300K 频率的正 弦波。方波可以分解成:1、3、5、7.....被频率的正弦波，我们把这些正弦波， 在电学上称为谐波。这个有一个规律:谐波次数越高，他的幅度会越来越低，比 如 99 次谐波，幅度几乎为 0 了
问:那么多次谐波 岂不要好多不同的电容滤波?
答:高次谐波的幅值会随着次数增加而减小的。次数越高，幅值越小，所以我们 只要主要关心幅值比较高的次数就可以了，比如我们认为5次谐波 幅值在 我们的考虑范围，其它次数的我们就可以不关心了。
假设后级负载需要的能量很大很大，这个时候电容是不是可能发热会比较严重啊，因为电流很大，即使一个小的 ESR，那么产生的功耗也会比较大是吧。 I^2*ESR，这个就是全部用来发热了，也就是说 ESR的存在，电流大了，发热 就会比较严重是吧。
既然发热的源头是 ESR，那么我们能不能去减小ESR呢?减小了ESR，是不是就减小了发热了啊?那么我们是不是可以通过并联电容来减小 ESR 呢?比 如之前我们是使用一个 1000uF 的电容，那么现在我们可以换成两个 470uF 的电容并联是吧(并不说越多越好，首先你要考虑位置够不够，成本是否增加)。 不能牺牲其它因素来解决这个问题啊，需要折中考虑。
问:这个不像昨晚讲的整流桥电解电容，能算容量，这个容量不好算吧?
答:这个一般也要看经验了，你可以按照经验 比如 1A/1000μ左右吧 对于 低压输出大概经验值，要以实际选择为主，电容不能发烫。当然你也可以选 大点也没事，这是参考值，仅供参考，比如 100mA 选100μ。这个没有必 要去精确计算。
问:那么多次谐波 岂不要好多不同的电容滤波?
答:高次谐波的幅值会随着次数增加而减小的。次数越高，幅值越小，所以我们 只要主要关心幅值比较高的次数就可以了，比如我们认为5次谐波 幅值在 我们的考虑范围，其它次数的我们就可以不关心了。
有极性电容和无极性电容功能讲解
有极性电容一般是用来作为储能使用的。
无极性电容一般用作滤波，震荡，延时。
但是这里大家稍微注意下啊，电解电容的白色部分是电容的负极，而钽电容， 画线部分是正极。无极性电容 比如 瓷片电容 独石电容 CBB电容 等都是无极性电容。
电阻和电容配合使用时，如何考虑两者的选型?
这里给大家讲讲经验选型把。因为电容的误差会大些，所以如果我们需要电阻和电容配合使用的话，建议把电容取大一些，因为电容容值取大的话，即使有误差，那么容值大的话，影响会小些。
问:一般在哪些场合会用到这个，能否举例说明?
答:比如RC滤波 就有R和C配合使用。
这幅图就是 RC 配合，假设要使用 RC 对一个信号进行滤波，RC 低通滤波， 需要对某一频率的信号进行衰减，比如 10KHz 这个频率的信号，这个滤波的截止 频率取决于 R 和 C 的取值，这个时候就涉及到 R 和 C 的配合使用的问题了。可能不同的R和C取值，都能计算得到10KHz的截止频率。大家可以先简单认为 RC 的乘积计算得到截止频率啊。这里大家先近似可以这样计算可以把，也就是同一 截止频率 R 和 C 是不是可以取值不同是吧。
问:RC 的乘积不是时间常数吗?
答:通过时间常数可以反映频率。
通过 RC 的乘积是不是可以得到对应的截止频率啊?那么 RC 的乘积相同，是 不是可以对应不同的 R 和 不同的 C啊?只要保证RC的乘积一样就可以 把，那么都能得到同样的截止频率，是不是会涉及到 R和C的取值问题啊。可 能R取得大一些C取得小一些或者R取得小一些C取得大一些都可以把。那么 这 个时候 就存在 R 和 C 的配合使用问题了 因为电容的误差会大一些，所以这 个时候如果选型的话，可以建议 C 取得大一些。
问:你说的截止频率 就是 10KHZ 从电容滤波到地 这个意思吗?
答:就是信号频率超过10KHz，就开始衰减了 。
电容容值的计算需要考虑哪些因素?如何根据设计需要进行计算?
对于这个问题，其实是需要分很多场景的，并且也不单单是容量，可能还会 有其他因素，比如，如果在干线上，那么肯定电流大，这时得用大容量电解，比 如，用在滤除高次谐波，那就得用小容量。比如，Y 电容 X 电容，这些，还得考 虑安规，所以X电容容量一般2.2μ一下，Y电容 4.7nf以下。比如，有时候 只是为了滤除一些干扰就用 104 就可以，比如，芯片电源。不用计算容量。
问:那有些 5V 3V3 的电容怎么选型? 根据消耗电流还是经验值?
答:如果单片机旁边的话，一般一个 10uF 或者 10uF 以下然后加一个 104 即可。
问:为什么 X 电容一般 2.2uf,Y 电容 4.7nf 以下?
答:如果容量大，漏电流会大，对人不安全，所以容值不可太大。
如果容量大，漏电流会大，对人不安全，所以容值不可太大，所以我们实际 使用的时候，就需要根据使用场景来进行选用了。
为什么需要考虑电容的 ESR 特性?
这里主要考虑电容上的电流比较大的时候，考虑电容的发热问题，还有 ESR 的存在，也需要考虑纹波，所以为了让纹波尽可能的小，或者发热小的话，那我 们选择电容的时候选择 ESR 小一些的电容就可以了。
ESR 跟漏电流没关系啊，ESR 是串联等效电阻，那个 ESR 的阻值非常低的， Rp 阻值很大，漏电流产生，Rp是并联电阻,阻值非常大，大都情况可以忽略他 去分析
电容在电路设计中有哪些作用?
滤波 储能 降低节点内阻，稳定电压。
电容在交流信号中电压相位对应电流相位的关系是什么?
这幅图其实就反映了电流和电压的相位关系，横轴是时间，我们说如果电压 和电流相位一致的话，是不是电压最大时，电流应该也是最大啊，比如电阻上的 电压和电流就是这样的关系，但是从这幅图中，我们可以看出，电流是不是先最 大，然后一段时间后，电压才达到最大啊?也就是说，电压和电流存在相位差了 是吧?那么这里是电流，先到最大，然后电压慢慢达到最大，也就是电压滞后电 流是吧?我们可以说电压滞后电流，也可以说，电流超前电压是吧。
为什么说电容在电路中工作的本质上讲是利用了电容 的充放电特性?
其实电容要工作的话，要么它是再充电，要么它是在放电，如果不充不放， 那么代表电容就没有工作了，所以不管是用在什么场合，本质上都是电容的充电 或者放电，这就是电容的特性了。
