全面分析電容知識-電容的作用-電容單位-電容公式及檢測-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-07-12
電容器所帶電量Q與電容器兩極間的電壓U的比值，叫電容器的電容。在電路學里，給定電勢差，電容器儲存電荷的能力，稱為電容（capacitance），標記為C。采用國際單位制，電容的單位是法拉（farad），標記為F。
電容的符號是C。
C=εS/d=εS/4πkd（真空）=Q/U
在國際單位制里，電容的單位是法拉，簡稱法，符號是F，由于法拉這個單位太大，所以常用的電容單位有毫法（mF）、微法（μF）、納法（nF）和皮法（pF）等，換算關系是：
1法拉（F）=1000毫法（mF）=1000000微法（μF）
1微法（μF）= 1000納法（nF）= 1000000皮法（pF）。
電容與電池容量的關系：
1伏安時=1瓦時=3600焦耳
W=0.5CUU
作為無源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：
（一）應用于電源電路，實現旁路、去藕、濾波和儲能的作用。下面分類詳述之：
（1）旁路
旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩壓器的輸出均勻化，降低負載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。
（2）去藕
去藕，又稱解藕。從電路來說，總是可以區分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大，驅動電路要把電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時候，電流比較大，這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會產生反彈），這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作，這就是所謂的“耦合”。
去藕電容就是起到一個“電池”的作用，滿足驅動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結合起來將更容易理解。
旁路電容實際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據諧振頻率一般取 0.1μF、0.01μF 等；而去耦合電容的容量一般較大，可能是 10μF 或者更大，依據電路中分布參數、以及驅動電流的變化大小來確定。旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。這應該是他們的本質區別。
（3）濾波
從理論上（即假設電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實際上超過 1μF 的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻 率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯了一個小電容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過，電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中，大電容（1000μF）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。
曾有網友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，可很形象的說電容像個水塘，不會因幾滴水的加入或蒸發而引起水量的變化。它把電壓的變動轉化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電，放電的過程。
（4）儲能
儲能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為 40～450VDC、電容值在 220～150 000μF 之間的鋁電解電容器是較為常用的。根不同的電源要求，器件有時會采用串聯、并聯或其組合的形式，對于功率級超過 10KW 的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。
（二）應用于信號電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數的作用
1）耦合
舉個例子來講，晶體管放大器發射極有一個自給偏壓電阻，它同時又使信號 產生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合，這個電阻就是產生了耦合的元件，如果在這個電阻兩端并聯一個電容，由于適當容量的電容器對交流信號 較小的阻抗，這樣就減小了電阻產生的耦合效應，故稱此電容為去耦電容。
2）振蕩/同步
包括 RC、LC 振蕩器及晶體的負載電容都屬于這一范疇。
3）時間常數
這就是常見的 R、C 串聯構成的積分電路。當輸入信號電壓加在輸入端時，電容（C）上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻（R）、電容（C）的特性通過下面的公式描述：
i=(V/R)e-(t/CR)
通常，應該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢？筆者認為，應基于以下幾點考慮：
1）靜電容量；
2）額定耐壓；
3）容值誤差；
4）直流偏壓下的電容變化量；
5）噪聲等級；
6）電容的類型；
7）電容的規格。
那么，是否有捷徑可尋呢？其實，電容作為器件的外圍元件，幾乎每個器件的 Datasheet 或者 Solutions，都比較明確地指明了外圍元件的選擇參數，也就是說，據此可以獲得基本的器件選擇要求，然后再進一步完善細化之。
其實選用電容時不僅僅是只看容量和封裝，具體要看產品所使用環境，特殊的電路必須用特殊的電容。
下面是chip capacitor根據電介質的介電常數分類，介電常數直接影響電路的穩定性。
NP0 or CH （K<150）：電氣性能最穩定，基本上不隨溫度﹑電壓與時間的改變而改變，適用于對穩定性要求高的高頻電路。鑒于 K 值較小，所以在 0402、0603、0805 封裝下很難有大容量的電容。如 0603 一般最大的10nF以下。
X7R or YB （2000
Y5V or YF（K > 15000）：容量穩定性較 X7R 差（?C < +20% ～ -8 0%），容量損耗對溫度、電壓等測試條件較敏感，但由于其 K 值較大，所以適用于一些容值要求較高的場合。
電容的分類方式及種類很多，基于電容的材料特性，其可分為以下幾大類：
1）鋁電解電容
電容容量范圍為0.1μF～22000μF，高脈動電流、長壽命、大容量的不二之選，廣泛應用于電源濾波、解藕等場合。
2）薄膜電容
電容容量范圍為0.1pF～10μF，具有較小公差、較高容量穩定性及極低的壓電效應，因此是 X、Y 安全電容、EMI/EMC 的首選。
3）鉭電容
電容容量范圍為2.2μF～560μF，低等效串聯電阻（ESR）、低等效串聯電感（ESL）。脈動吸收、瞬態響應及噪聲抑制都優于鋁電解電容，是高穩定電源的理想選擇。
4）陶瓷電容
電容容量范圍為0.5pF～100μF，獨特的材料和薄膜技術的結晶，迎合了當今“更輕、更薄、更節能“的設計理念。
5）超級電容
電容容量范圍為0.022F～70F，極高的容值，因此又稱做“金電容”或者“法拉電容”。主要特點是：超高容值、良好的充/放電特性，適合于電能存儲和電源備份。缺點是耐壓較低，工作溫度范圍較窄。
對于電容而言，小型化和高容量是永恒不變的發展趨勢。其中，要數多層陶瓷電容（MLCC）的發展最快。
多層陶瓷電容在便攜產品中廣泛應用極為廣泛，但近年來數字產品的技術進步對其提出了新要求。例如，手機要求更高的傳輸速率和更高的性能；基帶處理 器要求高速度、低電壓；LCD 模塊要求低厚度（0.5mm）、大容量電容。而汽車環境的苛刻性對多層陶瓷電容更有特殊的要求：首先是耐高溫，放置于其中的多層陶瓷電容必須能滿足 150℃ 的工作溫度；其次是在電池電路上需要短路失 效保護設計。
也就是說，小型化、高速度和高性能、耐高溫條件、高可靠性已成為陶瓷電容的關鍵特性。
陶瓷電容的容量隨直流偏置電壓的變化而變化。直流偏置電壓降低了介電常數，因此需要從材料方面，降低介電常數對電壓的依賴，優化直流偏置電壓特性。
應用中較為常見的是 X7R（X5R）類多層陶瓷電容， 它的容量主要集中在1000pF以上，該類電容器主要性能指標是等效串聯電阻（ESR），在高波紋電流的電源去耦、濾波及低頻信號耦合電路的低功耗表現比較突出。
另一類多層陶瓷電容是C0G類，它的容量多在 1000pF 以下，該類電容器主要性能指標是損耗角正切值 tgδ(DF)。傳統的貴金屬電極（NME）的 C0G 產品 DF 值范圍是（2.0 ～ 8.0）× 10-4，而技術創新型賤金屬電極（BME）的C0G產品DF值范圍為 (1.0 ～ 2.5)×10-4，約是前者的31～50%。該類產品在載有T/R模塊電路的GSM、CDMA、無繩電話、藍牙、GPS系統中低功耗特性較為顯著。較多用于各種高頻電路，如振蕩/同步器、定時器電路等。
嵌入式設計中，要求 MCU 從耗電量很大的處理密集型工作模式進入耗電量很少的空閑/休眠模式。這些轉換很容易引起線路損耗的急劇增加，增加的速率很高，達到 20A/ms 甚至更快。
通常采用旁路電容來解決穩壓器無法適應系統中高速器件引起的負載變化，以確保電源輸出的穩定性及良好的瞬態響應。旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩壓器的輸出均勻化，降低負載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。
應該明白，大容量和小容量的旁路電容都可能是必需的，有的甚至是多個陶瓷電容和鉭電容。這樣的組合能夠解決上述負載電流或許為階梯變化所帶來的問題，而且還能提供足夠的去耦以抑制電壓和電流毛刺。在負載變化非常劇烈的情況下，則需要三個或更多不同容量的電容，以保證在穩壓器穩壓前提供足夠的電流。快速的瞬態過程由高頻小容量電容來抑制，中速的瞬態過程由低頻大容量來抑制，剩下則交給穩壓器完成了。
還應記住一點，穩壓器也要求電容盡量靠近電壓輸出端。
普遍的觀點是：一個等效串聯電阻（ESR）很小的相對較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉換時的峰值（紋波）電流。但是，有時這樣的選擇容易引起穩壓器（特別是線性穩壓器 LDO）的不穩定，所以必須合理選擇小容量和大容量電容的容值。永遠記住，穩壓器就是一個放大器，放大器可能出現的各種情況 它都會出現。
由于 DC/DC 轉換器的響應速度相對較慢，輸出去耦電容在負載階躍的初始階段起主導的作用，因此需要額外大容量的電容來減緩相對于 DC/DC 轉換器的快速轉換，同時用高頻電容減緩相對于大電容的快速變換。通常，大容量電容的等效串聯電阻應該選擇為合適的值，以便使輸出電壓的峰值和毛刺在器件的 Dasheet 規定之內。
高頻轉換中，小容量電容在 0.01μF 到 0.1μF 量級就能很好滿足要求。表貼陶瓷電容或者多層陶瓷電容（MLCC）具有更小的 ESR。另外，在這些容值下，它們的體積和 BOM 成本都比較合理。如果局部低頻去耦不充分，則從低頻向高頻轉換時將引起輸入電壓降低。電壓下降過程可能持續數毫秒，時間長短主要取決于穩壓器調節增益和提供較大負載電流的時間。
用 ESR 大的電容并聯比用 ESR 恰好那么低的單個電容當然更具成本效益。然而，這需要你在 PCB 面積、器件數目與成本之間尋求折衷。
這里的電解電容器主要指鋁電解電容器，其基本的電參數包括下列五點：
1）電容值
電解電容器的容值，取決于在交流電壓下工作時所呈現的阻抗。因此容值，也就是交流電容值，隨著工作頻率、電壓以及測量方法的變化而變化。在標準 JISC 5102 規定：鋁電解電容的電容量的測量條件是在頻率為 120Hz，最大交流電壓為 0.5Vrms，DC bias 電壓為 1.5 ～ 2.0V 的條件下進行。可以斷言，鋁電解電容器的容量隨頻率的增加而減小。
2）損耗角正切值 Tan δ
在電容器的等效電路中，串聯等效電阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比稱之為 Tan δ， 這里的 ESR 是在 120Hz 下計算獲得的值。顯然，Tan δ 隨著測量頻率的增加而變大，隨測量溫度的下降而增大。
3）阻抗Z
在特定的頻率下，阻礙交流電流通過的電阻即為所謂的阻抗（Z）。它與電容等效電路中的電容值、電感值密切相關，且與ESR也有關系。
電容的容抗（XC）在低頻率范圍內隨著頻率的增加逐步減小，頻率繼續增加達到中頻范圍時電抗（XL）降至 ESR 的值。當頻率達到高頻范圍時感抗（XL）變為主導，所以阻抗是隨著頻率的增加而增加。
4）漏電流
電容器的介質對直流電流具有很大的阻礙作用。然而，由于鋁氧化膜介質上浸有電解液，在施加電壓時，重新形成的以及修復氧化膜的時候會產生一種很小的稱之為漏電流的電流。通常，漏電流會隨著溫度和電壓的升高而增大。
一個電容器，如果帶1庫的電量時兩級間的電勢差是1伏，這個電容器的電容就是1法拉，即：C=Q/U 。但電容的大小不是由Q（帶電量）或U（電壓）決定的，即電容的決定式為：C=εS/4πkd 。其中，ε是一個常數，S為電容極板的正對面積，d為電容極板的距離，k則是靜電力常量。常見的平行板電容器，電容為C=εS/d（ε為極板間介質的介電常數，S為極板面積，d為極板間的距離）。
電容器的電勢能計算公式：E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C
多電容器并聯計算公式：C=C1+C2+C3+…+Cn
多電容器串聯計算公式：1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn
三電容器串聯：C=（C1*C2*C3）/（C1*C2+C2*C3+C1*C3）
（1）容量（法拉）
英制：C=(0.224×K·A)/ TD
公制：C=(0.0884×K·A)/ TD
（2）電容器中存儲的能量
1/2CV2
（3）電容器的線性充電量
I=C(dV/dt)
（4）電容的總阻抗（歐姆）
Z=√[RS2+(XC–XL)2]
（5）容性電抗（歐姆）
XC=1/(2πfC)
（6）相位角Ф
理想電容器：超前當前電壓 90o
理想電感器：滯后當前電壓 90o
理想電阻器：與當前電壓的相位相同
（7）耗散系數(%)
D.F.=tanδ（損耗角）
=ESR/XC
=(2πfC)(ESR)
（8）品質因素
Q=cotan δ=1/DF
（9）等效串聯電阻 ESR（歐姆）
ESR=(DF) XC=DF/2πfC
（10）功率消耗
Power Loss=(2πfCV2 ) (DF)
用數字萬用表檢測電容器，可按以下方法進行。
一、用電容檔直接檢測
某些數字萬用表具有測量電容的功能，其量程分為2000p、20n、200n、2μ和20μ五檔。測量時可將已放電的電容兩引腳直接插入表板上的Cx插孔，選取適當的量程后就可讀取顯示數據。
2000p檔，宜于測量小于2000pF的電容；20n檔，宜于測量2000pF至20nF之間的電容；200n檔，宜于測量20nF至200nF之間的電容；2μ檔，宜于測量200nF至2μF之間的電容；20μ檔，宜于測量2μF至20μF之間的電容。
經驗證明，有些型號的數字萬用表（例如DT890B+）在測量50pF以下的小容量電容器時誤差較大，測量20pF以下電容幾乎沒有參考價值。此時可采用串聯法測量小值電容。方法是：先找一只220pF左右的電容，用數字萬用表測出其實際容量C1,然后把待測小電容與之并聯測出其總容量C2，則兩者之差（C1－C2）即是待測小電容的容量。用此法測量1～20pF的小容量電容很準確。
二、用電阻檔檢測
實踐證明，利用數字萬用表也可觀察電容器的充電過程，這實際上是以離散的數字量反映充電電壓的變化情況。設數字萬用表的測量速率為n次/秒，則在觀察電容器的充電過程中，每秒鐘即可看到n個彼此獨立且依次增大的讀數。根據數字萬用表的這一顯示特點，可以檢測電容器的好壞和估測電容量的大小。下面介紹的是使用數字萬用表電阻檔檢測電容器的方法，對于未設置電容檔的儀表很有實用價值。此方法適用于測量0.1μF～幾千微法的大容量電容器。
三、用電壓檔檢測
用數字萬用表直流電壓檔檢測電容器，實際上是一種間接測量法，此法可測量220pF～1μF的小容量電容器，并且能精確測出電容器漏電流的大小。
聯系方式：鄒先生
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