硬件设计——电容_硬件cbb

基本介绍

电容（Capacitance），指在给定电位差下的电荷储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。
电容的作用：隔直通交 ，“通交流，阻直流；通高频，阻低频”。

电容电量计算公式：

单位换算：

电容的种类

电容的用途

1. 滤波电容：在电源整流电路中使用，用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑，容量较大，在微法级。
2. 旁路电容：把输入信号的干扰作为滤除对象，容量较小，在皮法级。
3. 去耦电容：把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源，造成电源上产生的高频分量耦合到其他器件。它的容量根据信号的频率、抑制波纹程度而定。
4. 调谐电容：调谐就是调节一个振荡电路的频率,使其与另一个正在发生振荡的电路(或电磁波)发生谐振。
5. 耦合电容：连接两个电路之间的信号,允许交流信号通过并传输到下一级电路。当交流信号到达电容某一端的引脚时,该引脚接的电路的电压逐渐增大,电容内部开始积聚电荷;待该引脚所接的电路的电压减小时,电容再将积聚的电荷返回电路中。整个过程就是电容阻直流、通交流的过程。
6. 储能电容：短时间补偿电源供电的不足。

电容选型的参数

1. 标称电容量：
   标注在电容上的电容量。电容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,即交流电容值,会随着工作频率、电压及测量方法的变化而变化。在电子设备用固定式电容器试验方法(JSC5102)中规定:铝电解电容的电容量的测量是在频率为120Hz,最大交流电压为0.5Vms,DC偏压为1.5~2.0V的条件下进行。
2. 允许误差：
   电容量误差是指实际容量与标称容量间的偏差。精密电容的允许误差较小,而电解电容的允许误差较大,它们采用不同的误差等级。根据国家标准《电阻器和电容器的标志代码》(GBT2691-2016)规定,电容的标称容量允许误差用文字符号表示如图：
   
3. 额定电压：
   指在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容上的最高直流电压有效值般直接标注在电容外壳上。如果工作电压超过电容的额定电压,则电容将被击穿,造成不可修复的永久损坏。
4. 绝缘电阻：
   直流电压加在电容上,并产生漏电电流,电压除以漏电电流得到的电阻值称为绝缘电阻。电容的两个电极是导体,介于两个电极中间的是介质材料,绝缘电阻表征的是介质材料在直流偏压梯度下抵抗电流的能力。
5. 损耗：
   电容在电场作用下,在单位时间内因发热所消耗的能量称为损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值,电容的损耗主要是由介质损耗、电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。在直流电场的作用下,电容的损耗以漏导损耗的形式存在,一般较小;在交变电场的作用下,电容的损耗不仅与漏导有关,而且与周期性的极化建立过程有关。
6. 频率：
   随着频率升高,一般电容的电容量呈现下降的规律。当电容工作在谐振频率以下时,表现为容性;当电容工作在谐振频率以上时,表现为感性,此时就不是一个电容而是一个电感了。所以,一定要避免电容工作在谐振频率以上。
7. ESR和ESL：
   自身不会产生任何能量损耗的完美电容只存在于理论中,实际的电容总是存在着一些缺陷。实际的电容损耗,在电路中等效为一个电阻和一个理想电容的串联。另外,由于引线、卷绕等物理结构因素,因此电容内部也存在着电感成分。引入ESR和ESL,可使得模型更接近于电容在电路中的实际。
8. 相位角：
   理想电容:超前当前电压90°
   理想电感:滞后当前电压90°
   理想电阻:与当前电压的相位相同。
   由于电容有寄生电感(ESL),因此其相位角往往也不是理想值,会有一定的偏差。
9. 损耗因数：
   又称为耗散系数，用字母DF表示。因为电容的泄漏电阻、ESR和ESL三个指标很难分开，所以许多电容制造厂家将它们合并成一个指标，称为损耗因数，主要用来描述电容的无效程度。损耗因数定义为电容每周期损耗能量与储存能量之比，又称为损耗角正切。
10. 品质因数：
    
    器件或电路的Q值越大,则该器件或电路的性能越优。Q值可以采用如下方法来表示,即Q=无功功率/有功功率,也可以采用如下方法来表示,即Q=特性阻抗/回路电阻。Q值越大,损耗越小,效率越高;Q值越大,谐振器的频率稳定度越高,谐振器的振荡频率越高。
11. 漏电流：电容的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。例如,铝电解电容的铝氧化膜有阻碍直流作用。由于铝氧化膜介质上浸有电解液,因此在施加电压时,重新形成及修复氧化膜时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。
12. 纹波电流和纹波电压：
    波电流和纹波电压即电容所能耐受的纹波电流值和纹波电压值,它们和ESR之间的关系密切,用关系式可表示为
    
    
    当纹波电流增大时,即使在ESR保持不变的情况下,纹波电压也会成倍提高;当纹波电压增大时,纹波电流也随之增大。叠加入纹波电流后,由于电容内部的ESR引起发热,因此会影响电容的使用寿命。一般地,纹波电流与频率成正比,因此低频时纹波电流也比较小。
    开关电源的输入端和输出端需要仔细计算纹波电流和纹波电压,进而选择能够满足使用要求的电容。

各类电容的参数及应用

1. 铝电解电容

铝电解电容的容量大,能耐受大的脉动电流,容量误差大,漏电流大。普通的铝电解电容不适于在高频和低温下应用,不宜使用在25kHz以上频率,常用于低频旁路、信号耦合、电源滤波。

• 电容量:0.47μF ~ 10000F;
• 额定电压:6.3V ~ 450V;
• 主要特点:体积小,容量大,损耗大,漏电流大;
• 应用:储能、电源滤波、低频耦合、旁路等。

2. 钽电解电容(CA)和铌电解电容(CN)

温度特性、频率特性和可靠性均优于普通电解电容,特别是漏电流小,储存性良好,寿命长,容量误差小,而且体积小,单位体积下能得到最大的电容电压乘积。
其对脉动电流的耐受能力差,若损坏则易呈短路状态。

• 电容量:0.1uF~1000uF;
• 额定电压: 63 ~ 125V;
• 主要特点:损耗、漏电流小于铝电解电容;
• 应用:在要求高的电路中代替铝电解电容。

3. 薄膜电容
   薄膜电容的频率特性好,介电损耗小,不能实现很大的电容量,耐热能力差,主要用于滤波器、积分、振荡、定时电路等。

(1)聚酯(涤纶)电容(CL)

• 电容量:40pF ~ 4μF;
• 额定电压:63 ~ 630V;
• 主要特点:体积小,容量大,耐热耐湿,稳定性差;
• 应用:对稳定性和损耗要求不高的低频电路。

(2)聚苯乙烯电容(CB)

• 电容量:10pF ~ 1μF;
• 额定电压:100V ~ 30kV;
• 主要特点:稳定性好,损耗小,体积较大;
• 应用:对稳定性和损耗要求较高的电路。

(3)聚丙烯电容(CBB)

• 电容量:1000pF ~ 10pμF;
• 额定电压:63~2000V;
• 主要特点:性能与聚苯乙烯电容相似,但体积小,稳定性略差;
• 应用:代替大部分聚苯乙烯电容或云母电容,用于要求较高的电路。

4. 瓷介电容
   瓷介电容按外形结构可分为圆片形、管形、穿心式、支柱式、筒形及叠片式等。其中,穿心式或支柱式结构瓷介电容以安装螺钉作为一个电极。

(1)高频瓷介电容(CC)。

• 电容量:1pF ~ 6800pF。
• 额定电压:63~500V。
• 主要特点:高频损耗小稳定性好。
• 应用:高频电路。

(2)低频瓷介电容(CT)。

• 电容量:10pF ~ 4.7uF。
• 额定电压:50~100V。
• 主要特点:体积小,价格低廉,损耗大,稳定性差。
• 应用:要求不高的低频电路。

5. 独石电容
   独石电容是陶瓷电容的一种,特指多层介质结构的陶瓷电容。高介电常数的低频独石电容稳定的性能,体积极小,Q值大,容量误差较大,主要用于噪声旁路滤波器、积分、振荡电路。

• 电容量:0.5pF-100F
• 耐压:2倍额定电压
• 主要特点:电容量大,体积小,可靠性高,电容量稳定,耐高温、耐湿性好等。
• 应用:电子精密仪器及各种小型电子设备中的谐振、耦合、滤波、旁路电路。

6. 纸质电容
   纸质电容制造工艺简单,价格低廉能得到较大的电容量纸质电容一般用在低频电路中,通常不能在高于4MHz以上的频率上运用。油浸纸质电容的耐压比普通纸质电容高稳定性也好,适用于高压电路。

7. 微调电容
   调电容的电容量可在某一小范围内调整,并可在调整后固定于某个电容值。

(1)薄膜介质微调电容。

• 电容量:lpF~29pF。
• 主要特点:损耗较大,体积小。
• 应用:在收录机、电子仪器等电路中作电路补偿。

(2)陶瓷介质微调电容。

• 电容量:0.3pF~22pF
• 主要特点:损耗较小,体积较小。
• 应用:精密调谐的高频振荡回路。

8. 玻璃釉电容
   玻璃釉电容©能耐受各种气候环境,一般可在200℃或更高温度下工作,额定工作电压可达500V,损耗因数小。

• 电容量:10pF ~ 0.1pF
• 额定电压:63~400V。
• 主要特点:稳定性较好,损耗小,耐高温
• 应用:脉冲、耦合、旁路等电路。

MLCC

MLCC按使用的介质材料特性可分为I型和Ⅱ型电容;按电极材料可分为贵金属电极( Precious Metal Electrode,PME)和贱金属电极(BaseMetal electrode,BME);按无功功率大小可分为低功率和高功率陶瓷电容;按工作电压可分为低压和高压陶瓷电容。

I类陶瓷电容的特点是容量稳定性好,基本不随温度、电压、时间的变化而变化,但是容量一般较小;温度范围为-55-+125℃,温度系数为0±30ppm℃, 因此I类电容常用于温度补偿、高频电路和滤波器电路等
Ⅱ类陶瓷电容的容量稳定性较差,即X7R的工作温度范围为-55 ~ +125℃,X5R的工作温度范围为-55 ~ +85℃,Y5U、Y5V的工作温度范围为-30~+85℃,但是容量相对较大, 常用于平滑电路、耦合电路和去耦电路等。

电容降额规范