电容的工作原理、分类选择与应用

电容的作用

电容作为无源元件之一，其作用不超过以下几种:

1.应用于电源电路，实现旁路、去藕、滤波、储能的功能。以下分类详细说明:

1）旁路

旁路电容器是为本地设备提供能量的储能设备，能使稳压器输出均匀，降低负载需求。 就像小型可充电电池一样，旁路电容器可以充电并放电到设备。 旁路电容少阻抗，旁路电容应尽量靠近负载装置的供电管脚和地管脚。 这可以防止输入值过大导致地电位升高和噪声。通过大电流毛刺时，地弹是地连接处的电压降。

2）去藕

去藕，又称解藕。 就电路而言， 可分为驱动源和驱动负载。假如负载电容比较大， 驱动电路应充放电， 为了完成信号跳变，当上升边缘陡峭时， 电流相对较大， 这样，驱动的电流将吸收大量的电源电流。由于电路中的电感和电阻（特别是芯片管脚上的电感会反弹），与正常情况相比，这种电流实际上是一种噪声，会影响前级的正常工作，所谓耦合。

去藕电容起到电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免耦合干扰。结合旁路电容和去藕电容会更容易理解。旁路电容器实际上是去藕合的，但旁路电容器一般是指高频旁路，即高频开关噪音高的低阻抗泄漏方式。根据谐振频率，高频旁路电容器一般较小.1μF、0.01μF 等等；去耦电容的容量一般较大，可能是10μF 或更大，根据电路中的分布参数和驱动电流的变化来确定。

旁路是过滤输入信号中的干扰，而去耦是过滤输出信号的干扰，以防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。

3）滤波

理论上说，电容越大，阻抗越小，通过频率越高。但实际上超过1μF 大多数电容器都是电解电容器，具有很大的电感成分，阻抗会增加。有时会看到电容量大的电解电容并联小电容，然后大电容通低频，小电容通高频。电容器的作用是通高阻低，通高频阻低频。电容越小，低频越容易通过，高频越容易通过。

具体用于滤波器(10000μF）低频过滤，小电容(20pF）滤高频。有网友生动地将滤波电容比作池塘。由于电容器两端的电压不会突变，可以看出信号频率越高，衰减越大，但电容器就像一个池塘，不会因为几滴水的添加或蒸发而改变水量。它将电压变化转化为电流变化，频率越高，峰值电流越大，从而缓冲电压。滤波器是充放电的过程。

4）储能

储能电容器通过整流器收集电荷，并通过变换器引线将储存的能量传输到电源的输出端。 40~45040~450VDC、电容值在220～150 000μF 铝电解电容器(如EPCOS 公司的 B43504 或B43505)比较常用。根据不同的电源要求，设备有时采用串联、并联或组合的形式， 10以上的功率级KW 罐式螺旋端子电容器通常用于电源。

2.应用于信号电路，主要完成耦合、振荡/同步和时间常数：

1）耦合

例如，晶体管放大器发射极具自给偏压电阻，同时使信号产生压降反馈到输入端，形成输入输出信号耦合， 如果电阻两端并联一个电容，则该电阻是产生耦合的元件， 电容器对交流信号的适当容量 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 振荡器和晶体的负载电容器属于这一类。

3）时间常数

这很常见 R、C 串联的积分电路。当输入信号电压添加到输入端时，电容（C）上部电压逐渐升高。充电电流随电压升高而降低。电流通过电阻（R）、电容（C）通过以下公式描述特征：

i = （V / R）e - （t / CR）
电容的选择
通常，我们应该如何为我们的电路选择合适的电容器？作者认为，它应该基于 以下几点：

1.静电容量；
2.额定耐压；
3、容量误差；
4.直流偏压下的电容变化；
5、噪声等级；
6.电容器类型；
7、电容器规格。

那么，有没有捷径可找？事实上，电容器几乎是每个装置的外围元件 Datasheet 或者 Solutions，它们都清楚地指出了外围元件的选择参数，以获得基本的设备选择要求，然后进一步完善和细化。事实上，电容器的选择不仅取决于容量和包装，还取决于产品的使用环境。特殊电路必须使用特殊电容器。

下面是 chip capacitor 根据介电常数对介电常数进行分类， 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，基本不随温度而变化﹑电压和时间的变化适用于稳定性要求高的高频电路。鉴于K 0402、0603、0805值较小 大容量电容器很难包装。如 0603 一般最大的 10nF以下。X7R or YB （2000 《 K 《 4000）： 电气性能稳定，在温度下﹑当电压和时间发生变化时，性能变化不明显(？C 《 ±10%）。适用于隔离、偶合、旁路和对容量稳定性要求较低的全频鉴电路。Y5V or YF（K 》 15000）： 容量稳定性较高 X7R 差（？C 《 20% ～ -80%），容量﹑损失对温度、电压等测试条件敏感，但由于其原因K 值较大，适用于一些容值要求较高的场合。

电容的分类

根据电容器的材料特性，可分为以下几类：

1、铝电解电容

电容范围为0.1μF ～ 22000μF，高脉动电流、长寿命、大容量的最佳选择，广泛应用于电源滤波、解藕等场合。

2、薄膜电容

电容范围为0.1pF ～ 10μF，公差小，容量稳定性高，压电效应极低X、Y 安全电容、EMI/EMC 的首选。

3、钽电容

电容范围为2.2μF ～ 560μF，低等效串联电阻（ESR）、低等效串联 电感（ESL）。高稳定电源的理想选择是脉动吸收、瞬态响应和噪声抑制。

4、陶瓷电容

电容范围为0.5pF ～ 100μF，材料和薄膜技术的独特结晶迎合了当今更轻、更薄、更节能的设计理念。

5、超级电容

电容范围为0.022F ～ 70F，容量极高，又称金电容或法拉电容。其主要特点是容量超高，充放电性能好，适用于电能存储 备份电源。缺点是耐压性低，工作温度范围窄。

电容四:多层陶瓷电容（MLCC）

对于电容器来说，小型化和高容量是永恒的发展趋势。其中，多层陶瓷电容器的数量（MLCC）发展最快。

多层陶瓷电容器广泛应用于便携式产品中，但近年来数字产品的技术进步对其提出了新的要求。例如，手机需要更高的传输速率和性能；基带处理器需要高速、低电压；LCD 模块要求低厚度(0.5mm）、大容量电容。 汽车环境的苛刻性对多层陶瓷电容器有更特殊的要求：一是耐高温，多层陶瓷电容器必须满足150℃ 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、高性能、耐高温、高可靠性已成为陶瓷电容器的关键特性。

陶瓷电容的容量随直流偏置电压的变化而变化。直流偏置电压降低介电常数， 因此，有必要减少介电常数对电压的依赖，优化直流偏置电压的特性。

更常见的应用是 X7R（X5R）类多层陶瓷电容器， 其容量主要集中在10000pF 以上电容器的主要性能指标是等效串联电阻（ESR），在高波纹电 低频信号耦合电路的电源去耦、滤波、低功耗性能突出。

另一类多层陶瓷电容是 C0G 类，它的容量多 1000pF 以下， 这类电容器的主要性能指标是损耗角的正切值 tgδ（DF）。传统的贵金属电极（NME）的 C0G 产品 DF 值范围是 （2.0 ～ 8.0） × 技术创新型贱金属电极10-4（BME）的C0G 产品 DF 值范围为 （1.0 ～ 2.5） × 10-4， 约是前者的 31 ～ 50%。 该 载有类产品 T/R 模块电路的 GSM、CDMA、无绳电话，蓝牙，GPS 低功耗特性在系统中更为显著。多用于振荡/同步器、定时器电路等各种高频电路。

电容五：钽电容

替代电解电容器的误解通常是钽电容器的性能优于铝电容器，因为钽电容器的介质是在阳极氧化后产生的 五氧化二钽，其介电能力(通常使用)ε 表示)高于铝电容器的三氧化二铝介质。

因此，在相同容量下，钽电容的体积可以小于铝电容。(电解电容的电 容量取决于介质的介电能力和体积，介电能力越高，体积越大 能做的越小，反之，体积需要做的越大)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。

但这种用阳极判断电容性能的方法已经过时，目前决定电解电容性能的方法已经过时了 键不是阳极，而是电解质，即阴极。因为阴极不同，阳极不同 将不同类型的电解电容组合成不同的性能。由于使用相同阳极的电容器，因此使用相同阳极的电容器 总之，阳极对电容性能的影响远小于阴极。 另一种观点是，钽电容比铝电容更好，主要是因为钽和二氧化锰阴 极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。如果将铝电解液电容的阴极更换为 二氧化锰， 其实它的性能也可以提高很多。

可以肯定，ESR 衡量电容特性的主要参数之一。 但是，应避免选择电容器 ESR 越低越好，质量越高越好等误区。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。

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。如果那个电容是用在滤波器电路（比如中心为50Hz 的带通滤波益。然而，这需要你在PCB 面积、器件数目与成本之间寻求折衷。

话说电容之六：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 δ

在电容器的等效电路中，串联等效电阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比称之为 Tan δ， 这里的 ESR 是在 120Hz 下计算获得的值。显然，Tan δ 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 = √ ［ESR2 + （XL - XC）2 ］
式中，XC = 1 / ωC = 1 / 2πfC
XL = ωL = 2πfL

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 × 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。

话说电容之七：电容器参数的基本公式

1、容量（法拉）

英制： C = （ 0.224 × K · A） / TD
公制： C = （ 0.0884 × K · A） / TD

2、电容器中存储的能量

E = 1/2 CV2

3、电容器的线性充电量

I = C （dV/dt）

4、电容的总阻抗（欧姆）

Z = √ ［ RS
2 + （XC – XL）2 ］

5、容性电抗（欧姆）

XC = 1/（2πfC）

6、相位角 Ф

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 （%）

D.F. = tan δ （损耗角）
= ESR / XC
= （2πfC）（ESR）

8、品质因素

Q = cotan δ = 1/ DF

9、等效串联电阻ESR（欧姆）

ESR = （DF） XC = DF/ 2πfC

10、功率消耗

Power Loss = （2πfCV2） （DF）

11、功率因数

PF = sin δ （loss angle） – cos Ф （相位角）

12、均方根

rms = 0.707 × Vp

13、千伏安KVA （千瓦）

KVA = 2πfCV2 × 10-3

14、电容器的温度系数

T.C. = ［ （Ct – C25） / C25 （Tt – 25） ］ × 106

15、容量损耗（%）

CD = ［ （C1 – C2） / C1 ］ × 100

16、陶瓷电容的可靠性

L0 / Lt = （Vt / V0） X （Tt / T0）Y

17、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 + ，，。 + Cn

19、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
δ = 损耗角
Ф = 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。

话说电容之八：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，要求对地漏电电流不能超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，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，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。