《电容介绍及设计指导》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电容介绍及设计指导（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电容器设计指导硬件部文档编号产品版本密 级xxxxV1.0内部 产品名称电容器设计指导共 46 页（含本页）产品型号主要内容电容器设计指导作者： 日期： 2013.09.26 审核： 日期： 批准： 日期： 思路一、 电容概述1.1电容的定义1.2电容的特性1.3电容的分类1.4电容的容量1.5电容的容量单位和耐压1.6电容的标注方法和容量误差二、铝电解电容2.1 铝电解电容的构造2.2 铝电解电容特性2.2.1 电容值2.2.2 ESR、ESL和DF（损耗因数）2.2.3 漏电流2.2.4 额定电压2.2.5 纹波电流2.2.6 寿命2.3 铝电解电容优劣性总结2.4 设计注意事项三、钽电容
2、3.1 钽电容的构造3.2 钽电解电容的特性3.2.1 电容值3.2.2 ESR、ESL和DF（损耗因数）3.3 钽电容的三种失效模式3.4 总结3.5 设计注意事项四、陶瓷电容4.1 陶瓷电容的构造4.2 电容量4.2.1 NPO电容器4.2.2 X7R电容器4.2.3 Z5U电容器4.2.4 Y5V电容器4.3 ESR值4.4 设计注意事项五、三种电容差异性对比六、其他电容七、电容在电路中的作用7.1 滤波电容7.2 去耦（退耦）电容7.3 旁路电容7.4 去耦电容和旁路电容的区别第一节 概述电容器是十分常见的电子元件，在电路设计中处处可见电容器的应用。本文将对电容器做一个较为详尽的介绍，
3、并提供一些设计建议以及注意事项，旨在提高读者对电容器及其使用事项的认识。1.1 电容的定义电容器就是一种存储电荷的容器，简称电容，由两个金属极，中间夹有绝缘介质构成，它是一种储能元件，一般用符号C来表示，在电路中用于滤波、耦合、隔直、旁路、调谐、能量转换和延时等。属于全球用量最大的电子元器件之一，基本可以说有电路的地方就会有电容，电容的基本物理构造如下图所示。电容的容量公式： C=0*r*Sd 其中，0绝对介电常数 ：8.85*10-12 ，r为介质的介电常数，S为两个极板之间的有效表面积，D为介质的厚度。注意电容的串并联和电阻的串并联的计算方式是不一样的，从以上表达式中可以看出，对于电容量分
4、别为C1和C2的两个电容：若其串联，相当于增加了两个电极板之间的距离，因此串联的总电容量将减少，最终的电容量为C=C1C2C1+C2若其并联，相当于增加了两个极板之间的有效表面积，因此并联的总电容量将增加，最终的电容量为C=C1+C21.2 电容的特性电容器是存储电场能量的储能元件：CQU 或者UQC 其中，C：电容量（法）；Q：电量（库仑）；U：电容两端电压（伏特）因为电容器极板上的电量Q不能突变，它需要一个过程（充电），由此可知，电容两端的电压不能突变，因此对于直流电，作用于电容器时，电容器经过充电过程后电容两端的电压就会和电源电压相等（实际上可以这样认为，理论上充电过程需要无限的时间）通
5、过它的电流也就降至漏电流这就时电容可以用来隔直流的原理。而对于交流电，作用与电容器时，电容器一直处于充电、放电反复循环，所以电容始终都有电流流过，这就是电容通交流的原理。由此可以总结出电容的两个最基本的性质：1、电容两端的电压不能突变2、通交流隔直流1.3 电容器的分类电容器种类繁多，人们常按电容器绝缘介质材料的不同来分类，如下图所示。电容器按其可调节性又可分为固定电容器、可变电容器，其中使用最多的是固定电容器。可变电容器常见的有空气介质电容器和塑料薄膜电容器。图 1-1 电容器的分类本文主要介绍常用的三种电容器：铝电解电容、钽电解电容，陶瓷电容。从其制造工艺、结构特点入手，进而分析其性能特点
6、、并介绍其典型应用即注意事项。1.4 电容的容量电容容量表示能贮存电能的大小。电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，容抗与交流信号的频率和电容量有关，容抗XC=1/2f c (f表示交流信号的频率，C表示电容容量)。1.5 电容的容量单位和耐压电容的基本单位是F（法），其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。由于单位F 的容量太大，所以我们看到的一般都是F、nF、pF的单位。换算关系：1F1000000F，1F=1000nF=1000000pF。每一个电容都有它的耐压值，用V表示。一般无极电容的标称耐压值比较高有：63V、100V、160V、250V、400V、600
7、V、1000V等。有极电容的耐压相对比较低，一般标称耐压值有：4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、220V、400V等。1.6 电容的标注方法和容量误差电容的标注方法分为：直标法、色标法和数标法。对于体积比较大的电容，多采用直标法。如果是0.005，表示0.005uF=5nF。如果是5n，那就表示的是5nF。数标法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是10的多少次方。如：102表示10x10x10 PF=1000PF，203表示20x10x10x10 PF。色标法，沿电容引线方向，用不同的颜色表示不同的数字，第一、二种环表示
8、电容量，第三种颜色表示有效数字后零的个数（单位为pF）。颜色代表的数值为：黑=0、棕=1、红=2、橙=3、黄=4、绿=5、蓝=6、紫=7、灰=8、白=9。电容容量误差用符号F、G、J、K、L、M来表示，允许误差分别对应为1%、2%、5%、10%、15%、20%。 第1 页/共 46页第二节 铝电解电容除了少数的固体铝电解电容外，通常所说的铝电容是在高纯铝箔经过电化学扩面刻蚀和阳极氧化形成电介质绝缘层后制成的液体电解质电容器，其绝缘介质厚度为几百埃到几千埃（埃=10-10m），是目前大量应用电容中容量和工作电压做得最高的极性电容器。一般认为铝电容的可靠性不高，如低温性能不好、ESR较大、不适合于
9、中高频场合、容易干涸造成使用寿命有限、难以片状化、插装引脚积累灰尘带静电并造成短路等等，但随着工艺水平的提高，在某些特定应用场合下，使用铝电解电容在性能上可以满足要求，而且成本和可靠性方面上还要优于其它电容，如在承受大的上电冲击电流的低阻抗电路中，铝电容比钽电容要可靠。单个铝电解电容可以做到很大的容值，同时耐压值也可以很高，这时的铝电解电容非常适合应用于高容值，低精度要求和低纹波要求的低频应用，如输入输出滤波，储能等应用。2.1 铝电解电容的构造铝电解电容的基本构造如下图所示：图 2-1 铝电解电容构造上图可见，铝电解电容主要部分是呈卷轴状的芯子，芯子被铝外壳包裹，并引出正负极引线。芯子的每一
10、圈层又是由：阳极箔（高纯度的铝箔）、浸透电解质的分隔纸、阴极箔（高纯度的铝箔）组成。参考下图：图 2-2 铝电解电容卷层结构（from Vishay）如上图所示，光滑的铝箔上用腐烛的方式烛刻出许多微小的条形沟道。铝箔上会形成一层薄薄的氧化膜（Al2O3），而烛刻的微小沟道使得氧化膜的表面积大大增加。电容的实际阳极是阳极铝箔，而实际阴极则由阴极铝箔、隔离纸、电解质三项组合而成。电容的电介质为阳极铝箔上的氧化膜。2.2 铝电解电容特性2.2.1电容值供应商给出的铝电解电标称容值测试条件：电容上加1.5V或者2.0V的直流偏置，再施加RMS值最大为0.5V的120HzAC信号进行测试。DC直流下的容
11、值可以利用恒流放电测量，根据C*V=I*t得到。一般DC下容值比AC测得的容值略高一些，而且DC电容温飘小于AC容值。电容值（AC电容值）在不同应用环境下会有漂移，下面的几个图显示了铝电解电容值在不同频率、不同温度下的变化情况以及在电容应用生命周期中的变化。图2-3 铝电解容值随频率的漂移（from NCC）由上图可见铝电解电容值随着频率的升高会出现降低，这也是铝电解高频性能不佳的一个主要表现。图 2-4 铝电解容值随温度的漂移（from Vishay）图 2-5 铝电解容值随老化的漂移（from ELNA）上述几幅图能让读者对铝电解电容值变化的典型情况有一个印象，应用中考虑到容值的变化特性有
12、助于提高应用的稳定性。2.2.2 ESR、ESL和DF（损耗因数）铝电解的高频等效模型如下图所示，由电容，ESR，ESL以及等效并联电阻组成。（值得注意的是：ESR、ESL、C等参数均会随着应用条件变化而有所变化 ，但以下模型并没有考虑这些参数的漂移。）图 2-6 电容的高频等效模型根据以上等效模型，铝电解电容的阻抗可以表示为： Z=ESR2+（XL+Xc）2Xc=1C*XL=ESL*举例一个铝电解电容的各项参数：C47uFr1MESR0.6ESL100nH根据上述计算公式，可以得到该电容阻抗在频域内变化的曲线：图 2-7 电解电容阻抗曲线可见在10KHz以下，电容阻抗随频率上升而下降，器件呈
13、容抗特性。而在1MHZ以上阻抗随频率而上升，呈感抗特性。说明铝电解电容在高频上等效为一个电感，而非电容，所以高频应用中应慎用铝电解电容。将电容的阻抗可以表示为矢量的形式，见下图电容器阻抗矢量图：图 2-8 电容器的阻抗矢量图损耗因数DF（有时也表示为tan）定义为：等效串联电阻ESR与电容形成的阻抗（Xc）的百分比。tan=RXc=*C*RDF=tan*100（%）显而易见，因为电容阻抗随着频率而变化，功率因数将随着频率而变化，见下图举例：图 2-9 阻抗、ESR频域曲线（from NICHICON）图 2-10 tan频域曲线（from NICHICON）通用铝电解电容，其ESR值一般在几十
14、毫欧2.5 欧(100kHz/25）。从业界资料上了解到通用铝电解电容的ESR范围在10m10。对于Low ESR铝电解电容，其ESR值在手册中有给出，一般几十m（100kHz/20）。铝电容内部结构参数及与ESR的关系，ESR值由三个部分所组成，即：1） 氧化膜介质损耗所代表的等效串联电阻（r介）2 ) 电解质所代表的等效串联电阻（r解）3） 板极欧姆电阻、导电层的欧姆电阻，以及其间的接触电阻（r金 ）ESRr介r解r金tanwC这里的 tan，即电容器的损耗角正切值或损耗因子(Dissipation Factor)DF，电解电容用于脉动电路时，衡量其交流特性的参数指标用电容量及tan，有时则用阻抗和ESR，一般来说，厂家喜欢用 tan 指标，因为其便于考核产品的质量；而对于应用来说，ESR则更为容易理解。如果工艺上不出差错而且工作频率较低时，r金是可以忽略掉的（当工作频率较高时，出现趋肤效应，这时r金影响就较大）；另外，氧化膜介质的 tan介值在电解电容器的工作频率范围内，可近似地认为是一个常值，与频率无关，所以最后可以简化为tan= tan介wCr解+ tan金。另外还有一个特性需要注意：ESR值在低频段时随着f 的增大而减小，并最终
