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1、一、钽电容介绍钽电容是由稀有金属钽加工而成，先把钽磨成微细粉，再与其它的介质一起经烧结而成。目前的工艺有干粉成型法和湿粉成型法两种。钽电容由于金属钽的固有本性，具有稳定好、不随环境的变化而改变、能做到容值很大等特点，在某些方面具有陶瓷电容不可比较的一些特性，因此在很多无法使用陶瓷电容的电路上钽电容被广泛采用。目前全球主要有以下几个品牌的钽电容：AVX、KEMET、VISHAY、NEC，其中AVX和VISHAY的产量最大，而且质量最好。 虽然是个简单的概念，不过一写成洋文，就变得不容易理解了。 ESR，是Equivalent Series Resistance三个单词的缩写，翻译过来就是“等效串
2、连电阻”。 理论上，一个完美的电容，自身不会产生任何能量损失，但是实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗，各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串连在一起，所以就起了个名字叫做“等效串连电阻”。 ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。 比如，我们认为电容上面电压不能突变，当突然对电容施加一个电流，电容因为自身充电，电压会从0开始上升。但是有了ESR，电阻自身会产生一个压降，这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的，这会降低电容的滤波效果，所以很多高质量的电源啦一类的，都使用低ESR的电容器。 同样的，在振荡电路等场合，ESR也会引起电
3、路在功能上发生变化，引起电路失效甚至损坏等严重后果。 所以在多数场合，低ESR的电容，往往比高ESR的有更好的表现。 不过事情也有例外，有些时候，这个ESR也被用来做一些有用的事情。 比如在稳压电路中，有一定ESR的电容，在负载发生瞬变的时候，会立即产生波动而引发反馈电路动作，这个快速的响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价，获取了后续的快速调整能力，尤其是功率管的响应速度比较慢，并且电容器的体积/容量受到严格限制的时候。这种情况见于一些使用mos管做调整管的三端稳压或者相似的电路中。这时候，太低的ESR反而会降低整体性能。 ESR是等效“串连”电阻，意味着，将两个电容串连，会增大这个数值，而并联则
4、会减少之。 实际上，需要更低ESR的场合更多，而低ESR的大容量电容价格相对昂贵，所以很多开关电源采取的并联的策略，用多个ESR相对高的铝电解并联，形成一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB空间，换来器件成本的减少，很多时候都是划算的。 ESL，也就是等效串联电感。早期的卷制电容经常有很高的ESL，而且容量越大的电容，ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分，并且ESL也会引发一些电路故障，比如串连谐振等。但是相对容量来说，ESL的比例太小，出现问题的几率很小，再加上电容制作工艺的进步，现在已经逐渐忽略ESL，而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。 顺便，电容也存在一个和电感类
5、似的品质系数Q，这个系数反比于ESR，并且和频率相关，也比较少使用。 由ESR引发的电路故障通常很难检测，而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。简单的做法是，在仿真的时候，如果无法选择电容的具体参数，可以尝试在电容上人为串连一个小电阻来模拟ESR的影响，通常的，钽电容的ESR通常都在100毫欧以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。教您如何来正确的选择滤波电容 滤波电容在开关电源中起着非常重要的作用，如何正确选择滤波电容，尤其是输出滤波电容的选择则是每个工程技术人员都十分关心的问题。 50Hz工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100Hz，充
6、放电时间是毫秒数量级。为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万F，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数十kHz，甚至是数十MHz，这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率”特性，要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。普通的低频电解电容器在10kHz左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引出作
7、为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载；从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。由于四端电容具有良好的高频特性，为减小电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声提供了极为有利的手段。高频铝电解电容器还有多芯的形式，即将铝箔分成较短的若干段，用多引出片并联连接以减小容抗中的阻抗成份。并且采用低电阻率的材料作为引出端子，提高了电容器承受大电流的能力。各种自动控制的电路中，微控制器被广泛的应用。微控制器的时钟电路，采用方波而不是正弦波。方波比正弦波含有更高的高频成分，引起的电磁干扰噪声频率，相当于时钟频
8、率的倍。噪声中还含有更高的频率成分。在频率很高时，对电容来说，它的寄生电感不容忽视；对电感来说，它的分布电容会起作用；对电阻来说，它存在着对高频信号的反射；对印刷板上的引线来说，它的分布电感不容忽视，而且长的引线还表现出天线的特征，将高频噪声信号发射出去。焊接印刷线路板的元件时，如果电阻、电容、三极管的引脚过长，这些长的引脚恰好成了高频信号的天线。特别是信号引出线，如果该信号引出线的长度达到高频信号波长的1/20，噪声信号就会发射出去了。例如，对于100的噪声信号，长度是3cm，15cm的引线就是它的发射天线。去除这些高频噪声干扰的办法是加退耦电容或高频旁路电容。好的高频退耦电容可以去除高至1
9、GHz的高频成分，陶瓷片电容或多层陶瓷电容高频特性比较好，如常用的25U系列。设计印刷线路板时，每个集成电路的电源和地之间都要加一个退耦电容。 这个退耦电容有两个作用：一方面是充当本集成电路的储能电容，提供和吸收该电路开路、关断瞬间的充、放电能量；另一方面是旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的退耦电容是0.1。而这种电容由于本身结构的特点以及有一段引脚，免不了有分布电感。这个分布电感的典型值是。分布电感的退耦电容，并联共振频率大约在左右。也就是说，它对以下的噪声有较好的退耦作用；但对以上的噪声几乎不起作用。 1nF、10nF的电容，并联共振频率在20以上，用来去除高频噪声效果更好些。在电源
10、进入印刷板的地方加一个或的退耦电容往往是有利的。即使是电池供电系统，也需要这种电容。 每10片左右集成电路加一支充放电电容，或称储能电容，其电容值可选左右。最好使用钽电容或聚碳酸酯电容，不要用电解电容，因为电解电容是用两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感。 退耦电容值的选取并不严格，可按选用，即10取0.1；100取0.01；对微控制器构成的系统，取0.10.01都可以。 特别应注意的是，在焊接时退耦电容的引脚要尽量的短。长的引脚会使退耦电容本身发生自共振。根据电容的静电容量和外形尺寸，大致可以将电容分成以下几类：大尺寸、大容量的铝电解电容，小尺寸、小容量的多层陶瓷电容(MLC
11、C)和薄膜电容，以及尺寸和体积处于前两者之间的钽电容和导电性高分子电容。由于MLCC正在继续缩小体积并增大电容量，因此其应用领域也在不断扩大。 MLCC取代的是静电容量为几u,F几百uF的钽电容和导电性高分子电容。他们大部分是用于去耦合(旁通)、平滑或起辅助性质的电容(见图1)。比如，在去除电源线上负载中不需要的交流信号时，MLCC以前只是用于去除1MHz以上的高频信号。现在，由于静电容量的增加，之前由钽电容和导电性高分子电容负责的去除频率更低的噪声(几百kHz左右)任务也改由MLCC完成(见图2)。 同时，为了和MLCC展开竞争，导电性高分子电容的性能也在不断加强。通过对材料和内部结构等方面
12、的改进，实现降低阻抗及增大单位体积静电容量的目的。其目标是将静电容量提高到1000gF以上，这样就能够用一个导电性高分子电容 图3低ESL电容产品相继问世 许多生产厂家一起采取措施降低ESL的原因之一，是开关电源正在提高频率向1MHz4MHz发展。于是，电源线上需要去除的纹波电流的频率也提高到1MHz左右，必须提高电容在高频频带中去除噪声的性能。另外，随着电路驱动电压的下降，对于电源电压的稳定性要求更加严格也是原因之一。用于减少ESL的方法有几种。第一，除去引线框架将电容器元件直接连接到外部引脚上，以缩短电容器内部的连接路径，如图(a)所示。第二，缩短外部引脚之间的距离，以缩短电流从阳极向阴极
13、流动的途径，见图(b)。第三，在电容器内部叠加电极时，改变所连接引脚的方向以抵消电流流动时发生的磁场，从而减少ESL，见图(c)。关于(a)和(b)两种方法，在内部结构类似的钽电容或铌氧电容中也可以采来替代若干个MLCC或其它电容。另外，为了避免采用MLCC会引起的压电效应等问题，有的应用中改用了钽电容。 用小型化实现低价格 一般认为，几llF的大容量MLCC产品存在价格昂贵的问题。但有些MLCC生产厂商指出，由于单位体积的电容量在不断增大，外形尺寸为20mm X 125mm X125mm(2012尺寸)或16 mm X08mm X 08mm(1608尺寸)的MLCC的价格有可能可以同低成本的
14、铝电解电容相当。当切割多层的大陶瓷片制造MLCC时，每个MLCC的外形尺寸越小，其制造成本就越低。 另外，MLCC主要应用于便携式设备，所采用的都是2012尺寸以下的产品，这些产品很容易获得规模生产的成本优势。京瓷公司解释说：“以10uF的产品作比较，虽然MLCC的价格比铝电解电容高出几倍，但却低于其他的导电性高分子电容和钽电容等。”使用2012尺寸可以覆盖到47uF，使用1608尺寸可以覆盖到10laf。实际上，这两种尺寸的10uf产品，作为电源芯片输入输出端的平滑电容得到了广泛应用，其价格也正在下降。 22uF以上容量产品的价格，因为电容的种类不同而差别很大。按照钽电容、MLCC、导电性高
15、分子电容的顺序，价格逐步升高。京瓷公司推出了使用低成本材料铌(Nb)的铌氧(NbO)电容Ox汇叩，目标是取代其他电容。47皿F和100，LF的铌氧电容，虽然外形尺寸大于MLCC，但价格仅相当于MLCC的12左右。 图4MLCC的瓶颈是DC偏置电压特性 在MLCC中，存在看施加直流电压时电容量下降的问题。随着单位体积静电容量的增大，直流电压导致的电容量变化日益显著。一些有关厂家认为，DC偏置电压特性的问题并不在于电容量减少这一现象本身，而在于缺乏评估电容量减少程度的标准。因此，村田制作所、日本T D K公司和京瓷公司公布了其产品的DC偏置电压特性。 灵活应用低阻抗特点 虽然MLCC的电容量在不断增大，但在目前10gF以上容量的电容产品中，外形尺寸与其他电容基本相同的MLCC的价格仍然较高。因此，有关人士认为，100uF以上的大容量MLCC暂时还不会普及。 但MLCC生产厂家声称，在几十gF-100gF的大容量产品中，可能有些铝电解电容会被MLCC所取代。对于为了去除交流信号的噪声而使用的去耦合或者平滑电容来说，灵活应用MLCC的低阻抗特点就有可能使用电容量较低的MLCC替代原来的铝电解电容。 MLCC的阻抗在自谐振频率处最小，一般小于10nLQ，阻抗特别小的则在1mn以下。电容的阻抗越小，其去除噪声的性能越高。但由于PCB板上也存在着阻抗，因此，
