了解電容,讀這一篇就夠了
發(fā)布時(shí)間:2018-07-26 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】電容(或稱電容量)是表現(xiàn)電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。電容從物理學(xué)上講,它是一種靜態(tài)電荷存儲(chǔ)介質(zhì),可能電荷會(huì)永久存在,這是它的特征,它的用途較廣,它是電子、電力領(lǐng)域中不可缺少的電子元件。主要用于電源濾波、信號(hào)濾波、信號(hào)耦合、諧振、濾波、補(bǔ)償、充放電、儲(chǔ)能、隔直流等電路中。
一、電容的基本原理
電容,和電感、電阻一起,是電子學(xué)三大基本無(wú)源器件;電容的功能就是以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存電能量。
以平行板電容器為例,簡(jiǎn)單介紹下電容的基本原理
如上圖所示,在兩塊距離較近、相互平行的金屬平板上(平板之間為電介質(zhì))加載一個(gè)直流電壓;穩(wěn)定后,與電壓正極相連的金屬平板將呈現(xiàn)一定量的正電荷,而與電壓負(fù)極相連的金屬平板將呈現(xiàn)相等量的負(fù)電荷;這樣,兩個(gè)金屬平板之間就會(huì)形成一個(gè)靜電場(chǎng),所以電容是以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存電能量,儲(chǔ)存的電荷量為Q。
電容儲(chǔ)存的電荷量Q與電壓U和自身屬性(也就是電容值C)有關(guān),也就是Q=U*C。根據(jù)理論推導(dǎo),平行板電容器的電容公式如下:
理想電容內(nèi)部是介質(zhì)(Dielectric),沒有自由電荷,不可能產(chǎn)生電荷移動(dòng)也就是電流,那么理想電容是如何通交流的呢?
通交流
電壓可以在電容內(nèi)部形成一個(gè)電場(chǎng),而交流電壓就會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。根據(jù)麥克斯韋方程組中的全電流定律:
即電流或變化的電場(chǎng)都可以產(chǎn)生磁場(chǎng),麥克斯韋將ε(∂E/∂t)定義為位移電流,是一個(gè)等效電流,代表著電場(chǎng)的變化。(這里電流代表電流密度,即J)
設(shè)交流電壓為正弦變化,即:
實(shí)際位移電流等于電流密度乘以面積:
所以電容的容抗為1/ωC,頻率很高時(shí),電容容抗會(huì)很小,也就是通高頻。
下圖是利用ANSYS HFSS仿真的平行板電容器內(nèi)部的電磁場(chǎng)的變化。
橫截面電場(chǎng)變化(GIF動(dòng)圖,貌似要點(diǎn)擊查看)
縱斷面磁場(chǎng)變化(GIF動(dòng)圖,貌似要點(diǎn)擊查看)
也就是說電容在通交流的時(shí)候,內(nèi)部的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在相互轉(zhuǎn)換。
隔直流
直流電壓不隨時(shí)間變化,位移電流ε(∂E/∂t)為0,直流分量無(wú)法通過。
實(shí)際電容等效模型
實(shí)際電容的特性都是非理想的,有一些寄生效應(yīng);因此,需要用一個(gè)較為復(fù)雜的模型來表示實(shí)際電容,常用的等效模型如下:
● 由于介質(zhì)都不是絕對(duì)絕緣的,都存在著一定的導(dǎo)電能力;因此,任何電容都存在著漏電流,以等效電阻Rleak表示;
● 電容器的導(dǎo)線、電極具有一定的電阻率,電介質(zhì)存在一定的介電損耗;這些損耗統(tǒng)一以等效串聯(lián)電阻ESR表示;
● 電容器的導(dǎo)線存在著一定的電感,在高頻時(shí)影響較大,以等效串聯(lián)電感ESL表示;
● 另外,任何介質(zhì)都存在著一定電滯現(xiàn)象,就是電容在快速放電后,突然斷開電壓,電容會(huì)恢復(fù)部分電荷量,以一個(gè)串聯(lián)RC電路表示。
大多數(shù)時(shí)候,主要關(guān)注電容的ESR和ESL。
品質(zhì)因數(shù)(Quality Factor)
和電感一樣,可以定義電容的品質(zhì)因數(shù),也就是Q值,也就是電容的儲(chǔ)存功率與損耗功率的比:
Qc=(1/ωC)/ESR
Q值對(duì)高頻電容是比較重要的參數(shù)。
自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)
由于ESL的存在,與C一起構(gòu)成了一個(gè)諧振電路,其諧振頻率便是電容的自諧振頻率。在自諧振頻率前,電容的阻抗隨著頻率增加而變?。辉谧灾C振頻率后,電容的阻抗隨著頻率增加而變小,就呈現(xiàn)感性;如下圖所示:
圖出自Taiyo Yuden的EMK042BJ332MC-W規(guī)格書
二、電容的工藝與結(jié)構(gòu)
根據(jù)電容公式,電容量的大小除了與電容的尺寸有關(guān),與電介質(zhì)的介電常數(shù)(Permittivity)有關(guān)。電介質(zhì)的性能影響著電容的性能,不同的介質(zhì)適用于不同的制造工藝。
常用介質(zhì)的性能對(duì)比,可以參考AVX的一篇技術(shù)文檔。
AVX Dielectric Comparison Chart
電容的制造工藝主要可以分為三大類:
● 薄膜電容(Film Capacitor)
● 電解電容(Electrolytic Capacitor)
● 陶瓷電容(Ceramic Capacitor)
2.1 薄膜電容(Film Capacitor)
Film Capacitor在國(guó)內(nèi)通常翻譯為薄膜電容,但和Thin Film工藝是不一樣的。為了區(qū)分,個(gè)人認(rèn)為直接翻譯為膜電容好點(diǎn)。
薄膜電容是通過將兩片帶有金屬電極的塑料膜卷繞成一個(gè)圓柱形,最后封裝成型;由于其介質(zhì)通常是塑料材料,也稱為塑料薄膜電容;其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致如下圖所示:
原圖來自于維基百科
薄膜電容根據(jù)其電極的制作工藝,可以分為兩類:
金屬箔薄膜電容(Film/Foil)
金屬箔薄膜電容,直接在塑料膜上加一層薄金屬箔,通常是鋁箔,作為電極;這種工藝較為簡(jiǎn)單,電極方便引出,可以應(yīng)用于大電流場(chǎng)合。
金屬化薄膜電容(Metallized Film)
金屬化薄膜電容,通過真空沉積(Vacuum Deposited)工藝直接在塑料膜的表面形成一個(gè)很薄的金屬表面,作為電極;由于電極厚度很薄,可以繞制成更大容量的電容;但由于電極厚度薄,只適用于小電流場(chǎng)合。
金屬化薄膜電容就是具有自我修復(fù)的功能,即假如電容內(nèi)部有擊穿損壞點(diǎn),會(huì)在損壞處產(chǎn)生雪崩效應(yīng),氣化金屬在損壞處將形成一個(gè)氣化集合面,短路消失,損壞點(diǎn)被修復(fù);因此,金屬化薄膜電容可靠性非常高,不存在短路失效;
薄膜電容有兩種卷繞方法:有感繞法在卷繞前,引線就已經(jīng)和內(nèi)部電極連在一起;無(wú)感繞法在繞制后,會(huì)采用鍍金等工藝,將兩個(gè)端面的內(nèi)部電極連成一個(gè)面,這樣可以獲得較小的ESL,應(yīng)該高頻性能較高;此外,還有一種疊層型的無(wú)感電容,結(jié)構(gòu)與MLCC類似,性能較好,便于做成SMD封裝。
最早的薄膜電容的介質(zhì)材料是用紙浸注在油或石蠟中,英國(guó)人D''斐茨杰拉德于1876年發(fā)明的;工作電壓很高?,F(xiàn)在多用塑料材料,也就是高分子聚合物,根據(jù)其介質(zhì)材料的不同,主要有以下幾種:
應(yīng)用最多的薄膜電容是聚酯薄膜電容,比較便宜,由于其介電常數(shù)較高,尺寸可以做的較??;其次就是聚丙烯薄膜電容。其他材料還有聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等等。
薄膜電容的特點(diǎn)就是可以做到大容量,高耐壓;但由于工藝原因,其尺寸很難做小,通常應(yīng)用于強(qiáng)電電路,例如電力電子行業(yè);基本上是長(zhǎng)這個(gè)樣子:
截圖于High Power Capacitors For Power Electronics - AVX
2.2 電解電容(Electrolytic Capacitor)
電解電容是用金屬作為陽(yáng)極(Anode),并在表面形成一層金屬氧化膜作為介質(zhì);然后濕式或固態(tài)的電解質(zhì)和金屬作為陰極(Cathode)。電解電容大都是有極性的,如果陰極側(cè)的金屬,也有一層氧化膜,就是無(wú)極性的電解電容。
根據(jù)使用的金屬的不同,目前只要有三類電解電容:
鋁電解電容(Aluminum electrolytic capacitors)
鋁電解電容應(yīng)該是使用最廣泛的電解電容,最便宜,其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示:
鋁電解電容的制作工藝大致有如下幾步:
● 首先,鋁箔會(huì)通過電蝕刻(Etching)的方式,形成一個(gè)非常粗糙的表面,這樣增大了電極的表面積,可以增大電容量;
● 再通過化學(xué)方法將陽(yáng)極氧化,形成一個(gè)氧化層,作為介質(zhì);
● 然后,在陽(yáng)極鋁箔和陰極鋁箔之間加一層電解紙作為隔離,壓合繞制;
● 最后,加注電解液,電解紙會(huì)吸收電解液,封裝成型。
使用電解液的濕式鋁電解電容應(yīng)用最廣;優(yōu)點(diǎn)就是電容量大、額定電壓高、便宜;缺點(diǎn)也很明顯,就是壽命較短、溫度特性不好、ESR和ESL較大。對(duì)于硬件開發(fā)來說,需要避免過設(shè)計(jì),在滿足性能要求的情況下,便宜就是最大的優(yōu)勢(shì)。
下圖是基美(Kemet)的鋁電解電容產(chǎn)品,大致可以看出鋁電解電容的特點(diǎn)。
鋁電解電容也有使用二氧化錳、導(dǎo)電高分子聚合物等固態(tài)材料做電解質(zhì);聚合物鋁電解電容的結(jié)構(gòu)大致如下圖所示:
聚合物鋁電解電容的ESR較小,容值更穩(wěn)定,瞬態(tài)響應(yīng)好;由于是固態(tài),抗沖擊振動(dòng)能力比濕式的要好;可以做出較小的SMD封裝。當(dāng)然,濕式的鋁電解電容也可以做SMD封裝,不過大都是長(zhǎng)這樣:
而聚合物鋁電解電容的封裝長(zhǎng)這樣:
鉭電解電容(Tantalum electrolytic capacitors)
鉭(拼音tǎn)電解電容應(yīng)用最多的應(yīng)該是利用二氧化錳做固態(tài)電解質(zhì),主要長(zhǎng)這樣:
固態(tài)鉭電解電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致如下圖所示:
原圖出自Vishay技術(shù)文檔
鉭電容與鋁電解電容比,在于鉭氧化物(五氧化二鉭)的介電常數(shù)比鋁氧化物(三氧化二鋁)的高不少,這樣相同的體積,鉭電容容量要比鋁電解電容的要大。鉭電容壽命較長(zhǎng),電性能更加穩(wěn)定。
鉭電容也有利用導(dǎo)電高分子聚合物(Conductive Polymer)做電解質(zhì),結(jié)構(gòu)與上圖二氧化錳鉭電容類似,就是將二氧化錳換成導(dǎo)電聚合物;導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率比二氧化錳高,這樣ESR就會(huì)更低。
另外還有濕式的鉭電容,特點(diǎn)就是超大容量、高耐壓、低直流漏電流,主要用于軍事和航天領(lǐng)域。濕式的鉭電容主要長(zhǎng)這樣:
截圖于Vishay技術(shù)文檔
鈮電解電容(Niobium electrolytic capacitors)
鈮電解電容與鉭電解電容類似,就是鈮及其氧化物代替鉭;鈮氧化物(五氧化二鈮)的介電常數(shù)比鉭氧化物(五氧化二鉭)更高;鈮電容的性能更加穩(wěn)定,可靠性更高。
AVX有鈮電容系列產(chǎn)品,二氧化錳鉭電容外觀是黃色,而鈮電容外觀是橙紅色,大致長(zhǎng)這樣:
電解電容對(duì)比表,數(shù)據(jù)來源于維基百科,僅供參考。
2.3 陶瓷電容(Ceramic Capacitor)
陶瓷電容是以陶瓷材料作為介質(zhì)材料,陶瓷材料有很多種,介電常數(shù)、穩(wěn)定性都有不同,適用于不同的場(chǎng)合。
陶瓷電容,主要有以下幾種:
瓷片電容(Ceramic Disc Capacitor)
瓷片電容的主要優(yōu)點(diǎn)就是可以耐高壓,通常用作安規(guī)電容,可以耐250V交流電壓。其外觀和結(jié)構(gòu)如下圖所示:
多層陶瓷電容(Multi-layer Ceramic Capacitor)
多層陶瓷電容,也就是MLCC,片狀(Chip)的多層陶瓷電容是目前世界上使用量最大的電容類型,其標(biāo)準(zhǔn)化封裝,尺寸小,適用于自動(dòng)化高密度貼片生產(chǎn)。
作者,也就是我自己設(shè)計(jì)的主板,自己拍的照片,加了藝術(shù)效果;沒有標(biāo)引用和出處的圖片和內(nèi)容,絕大多數(shù)都是我自己畫或弄出來的,剩下一點(diǎn)點(diǎn)可能疏忽忘加了;標(biāo)引用的圖片,很多都是我重新加工的,例如翻譯或幾張圖拼在一起等等,工具很土EXCEL+截圖。
多層陶瓷電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示:
原圖出自SMD MLCC for High Power Applications - KEMET
多層陶瓷電容生產(chǎn)流程如下圖所示:
由于多層陶瓷需要燒結(jié)瓷化,形成一體化結(jié)構(gòu),所以引線(Lead)封裝的多層陶瓷電容,也叫獨(dú)石(Monolithic)電容。
在談?wù)勲姼?中也介紹過多層陶瓷工藝和Thin Film工藝。Thin Film技術(shù)在性能或工藝控制方面都比較先進(jìn),可以精確的控制器件的電性能和物理性能。因此,Thin Film電容性能比較好,最小容值可以做到0.05pF,而容差可以做到0.01pF;比通常MLCC要好很多,像Murata的GJM系列,最小容值是0.1pF,容差通常都是0.05pF;因此,Thin Film電容可以用于要求比較高的RF領(lǐng)域,AVX有Accu-P®系列。
陶瓷介質(zhì)的分類
根據(jù)EIA-198-1F-2002,陶瓷介質(zhì)主要分為四類:
● Class I:具有溫度補(bǔ)償特性的陶瓷介質(zhì),其介電常數(shù)大都較低,不超過200。通常都是順電性介質(zhì)(Paraelectric),溫度、頻率以及偏置電壓下,介電常數(shù)比較穩(wěn)定,變化較小。損耗也很低,耗散因數(shù)小于0.01。
性質(zhì)最穩(wěn)定,應(yīng)用最多的是C0G電容,也就是NP0。NP0是IEC/EN 60384-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的代號(hào),即Negative Positive Zero,也就是用N和P來表示正負(fù)偏差。
由于介電常數(shù)低,C0G電容的容值較小,最大可以做到0.1uF,0402封裝通常最大只有1000pF。
● Class II,III:其中,溫度特性A-S屬于Class II,介電常數(shù)幾千左右。溫度特性T-V屬于Class III,介電常數(shù)最高可以到20000,可以看出Class III的性能更加不穩(wěn)定。根據(jù)IEC的分類,Class II和III都屬于第二類,高介電常數(shù)介質(zhì)。像X5R和X7R都是Class II電容,在電源去耦中應(yīng)用較多,而Y5V屬于Class III電容,性能不太穩(wěn)定,個(gè)人覺得現(xiàn)在應(yīng)用不多了。
由于Class II和III電容的容值最高可以做到幾百uF,但由于高介電常數(shù)介質(zhì),大都是鐵電性介質(zhì)(Ferroelectric),溫度穩(wěn)定性差。此外,鐵電性介質(zhì),在直流偏置電壓下介電常數(shù)會(huì)下降。
在談?wù)勲姼幸晃闹?,介紹了鐵磁性介質(zhì)存在磁滯現(xiàn)象,當(dāng)內(nèi)部磁場(chǎng)超過一定值時(shí),會(huì)發(fā)生磁飽和現(xiàn)象,導(dǎo)致磁導(dǎo)率下降;同樣的,對(duì)于鐵電性介質(zhì)存在電滯現(xiàn)象,當(dāng)內(nèi)部電場(chǎng)超過一定值時(shí),會(huì)發(fā)生電飽和現(xiàn)象,導(dǎo)致介電常數(shù)下降。
因此,當(dāng)Class II和III電容的直流偏置電壓超過一定值時(shí),電容會(huì)明顯下降,如下圖所示:
● Class IV:制作工藝和通常的陶瓷材料不一樣,內(nèi)部陶瓷顆粒都是外面一層很薄的氧化層,而核心是導(dǎo)體。這種類型的電容容量很大,但擊穿電壓很小。由于此類電容的性能不穩(wěn)定,損耗高,現(xiàn)在已經(jīng)基本被淘汰了。
電容類型總結(jié)表
還有一類超級(jí)電容,就是容量特別大,可以替代電池作為供電設(shè)備,也可以和電池配合使用。超級(jí)電容充電速度快,可以完全地充放電,而且可以充到任何想要的電壓,只要不超過額定電壓?,F(xiàn)在應(yīng)用也比較多,國(guó)內(nèi)很多城市都有超級(jí)電容電動(dòng)公交車;還有些電子產(chǎn)品上也有應(yīng)用,例如一些行車記錄儀上,可以持續(xù)供電幾天。
三、電容的應(yīng)用與選型
器件選型,其實(shí)就是從器件的規(guī)格書上提取相關(guān)的信息,判斷是否滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的要求。
3.1 概述
電容作為一個(gè)儲(chǔ)能元件,可以儲(chǔ)存能量。外部電源斷開后,電容也可能帶電。因此,安全提示十分必要。有些電子設(shè)備內(nèi)部會(huì)貼個(gè)高壓危險(xiǎn),小時(shí)候拆過家里的黑白電視機(jī),拆開后看到顯像管上貼了個(gè)高壓危險(xiǎn),那時(shí)就有個(gè)疑問,沒插電源也會(huì)有高壓?jiǎn)??工作后,拆過幾個(gè)電源適配器,被電的回味無(wú)窮……
回歸正題,電容儲(chǔ)能可以做如下應(yīng)用:
● 儲(chǔ)存能量就可以當(dāng)電源,例如超級(jí)電容;
● 存儲(chǔ)數(shù)據(jù),應(yīng)用非常廣。動(dòng)態(tài)易失性存儲(chǔ)器(DRAM)就是利用集成的電容陣列存儲(chǔ)數(shù)據(jù),電容充滿電就是1,放完電就是0。各種手機(jī)、電腦、服務(wù)器中內(nèi)存的使用量非常大,因此,內(nèi)存行業(yè)都可以作為信息產(chǎn)業(yè)的風(fēng)向標(biāo)了。
此外,電容還可以用作:
● 定時(shí):電容充放電需要時(shí)間,可以用做定時(shí)器;還可以做延時(shí)電路,最常見的就是上電延時(shí)復(fù)位;一些定時(shí)芯片如NE556,可以產(chǎn)生三角波。
● 諧振源:與電感一起組成LC諧振電路,產(chǎn)生固定頻率的信號(hào)。
利用電容通高頻、阻低頻、隔直流的特性,電容還可以用作:
電源去耦
電源去耦應(yīng)該是電容最廣泛的應(yīng)用,各種CPU、SOC、ASIC的周圍、背面放置了大量的電容,目的就是保持供電電壓的穩(wěn)定。
首先,在DCDC電路中,需要選擇合適的輸入電容和輸出電容來降低電壓紋波。需要計(jì)算出相關(guān)參數(shù)。
此外,像IC工作時(shí),不同時(shí)刻需要的工作電流是不一樣的,因此,也需要大量的去耦電容,來保證工作電壓得穩(wěn)定。
耦合隔直
設(shè)計(jì)電路時(shí),有些情況下,只希望傳遞交流信號(hào),不希望傳遞直流信號(hào),這時(shí)候可以使用串聯(lián)電容來耦合信號(hào)。
例如多級(jí)放大器,為了防止直流偏置相互影響,靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算復(fù)雜,通常級(jí)間使用電容耦合,這樣每一級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)可以獨(dú)立分析。
例如PCIE、SATA這樣的高速串行信號(hào),通常也使用電容進(jìn)行交流耦合。
旁路濾波
旁路,顧名思義就是將不需要的交流信號(hào)導(dǎo)入大地。濾波其實(shí)也是一個(gè)意思。在微波射頻電路中,各種濾波器的設(shè)計(jì)都需要使用電容。此外,像EMC設(shè)計(jì),對(duì)于接口處的LED燈,都會(huì)在信號(hào)線上加一顆濾波電容,這樣可以提高ESD測(cè)試時(shí)的可靠性。
3.2 鋁電解電容
3.2.1 鋁電解電容(濕式)
鋁電解電容(濕式)無(wú)論是插件還是貼片封裝,高度都比較高,而且ESR都較高,不適合于放置于IC附近做電源去耦,通常都是用于電源電路的輸入和輸出電容。
容值
從規(guī)格書中獲取電容值容差,通常鋁電解電容的容差都是±20%。計(jì)算最大容值和最小容值時(shí),各項(xiàng)參數(shù)要滿足設(shè)計(jì)要求。
額定電壓
鋁電解電容通常只適用于直流場(chǎng)合,設(shè)計(jì)工作電壓至少要低于額定電壓的80%。對(duì)于有浪涌防護(hù)的電路,其額定浪涌電壓要高于防護(hù)器件(通常是TVS)的殘壓。
例如,對(duì)于一些POE供電的設(shè)備,根據(jù)802.3at標(biāo)準(zhǔn),工作電壓最高可達(dá)57V,那么選擇的TVS鉗位電壓有90多V,那么至少選擇額定電壓100V的鋁電解電容。此時(shí),也只有鋁電解電容能同時(shí)滿足大容量的要求。
耗散因數(shù)
設(shè)計(jì)DCDC電路時(shí),輸出電容的ESR影響輸出電壓紋波,因此需要知道鋁電解電容的ESR,但大多數(shù)鋁電解電容的規(guī)格書只給出了耗散因數(shù)tanδ??梢愿鶕?jù)以下公式來計(jì)算ESR:
ESR = tanδ/(2πfC)
例如,120Hz時(shí),tanδ為16%,而C為220uF,則ESR約為965mΩ??梢婁X電解電容的ESR非常大,這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓紋波很大。因此,使用鋁電解電容時(shí),需要配合使用片狀陶瓷電容,靠近DCDC芯片放置。
隨著開關(guān)頻率和溫度的升高,ESR會(huì)下降。
額定紋波電流
電容的紋波電流,要滿足DCDC設(shè)計(jì)的輸入和輸出電容的RMS電流的需求。鋁電解電容的額定紋波電流需要根據(jù)開關(guān)頻率來修正。
壽命
鋁電解電容的壽命比較短,選型需要注意。而壽命是和工作溫度直接相關(guān)的,規(guī)格書通常給出產(chǎn)品最高溫度時(shí)的壽命,例如105℃時(shí),壽命為2000小時(shí)。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,工作溫度每下降10℃,壽命乘以2。如果產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用壽命為3年,也就是26280小時(shí)。則10*log2(26280/2000)=37.3℃,那么設(shè)計(jì)工作溫度不能超過65℃。
3.2.2 聚合物鋁電解電容
像Intel的CPU這樣的大功耗器件,一顆芯片80多瓦的功耗,核電流幾十到上百安,同時(shí)主頻很高,高頻成分多。這時(shí)對(duì)去耦電容的要求就很高:
● 電容值要大,滿足大電流要求;
● 額定RMS電流要大,滿足大電流要求;
● ESR要小,滿足高頻去耦要求;
● 容值穩(wěn)定性要好;
● 表面帖裝,高度不能太高,因?yàn)橥ǔ7胖迷贑PU背面的BOTTOM層,以達(dá)到最好的去耦效果。
這時(shí),選擇聚合物鋁電解電容最為合適。
此外,對(duì)于音頻電路,通常需要用到耦合、去耦電容,由于音頻的頻率很低,所以需要用大電容,此時(shí)聚合物鋁電解電容也很合適。
3.3 鉭電容
根據(jù)前文相關(guān)資料的來源,可以發(fā)現(xiàn),鉭電容的主要廠商就是Kemet、AVX、Vishay。
鉭屬于比較稀有的金屬,因此,鉭電容會(huì)比其他類型的電容要貴一點(diǎn)。但是性能要比鋁電解電容要好,ESR更小,損耗更小,去耦效果更好,漏電流小。下圖是Kemet一款固態(tài)鉭電容的參數(shù)表:
額定電壓
固態(tài)鉭電容的工作電壓需要降額設(shè)計(jì)。正常情況工作電壓要低于額定電壓的50%;高溫環(huán)境或負(fù)載阻抗較低時(shí),工作電壓要低于額定電壓的30%。具體降額要求應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)格書要求。
此外,還需要注意鉭電容的承受反向電壓的情況,交流成分過大,可能會(huì)導(dǎo)致鉭電容承受反向電壓,導(dǎo)致鉭電容失效。
固態(tài)鉭電容的主要失效模式是短路失效,會(huì)直接導(dǎo)致電路無(wú)法工作,甚至起火等風(fēng)險(xiǎn)。因此,需要額外注意可靠性設(shè)計(jì),降低失效率。
對(duì)于一旦失效,就會(huì)造成重大事故的產(chǎn)品,建議不要使用固態(tài)鉭電容。
額定紋波電流
紋波電流流過鉭電容,由于ESR存在會(huì)導(dǎo)致鉭電容溫升,加上環(huán)境溫度,不要超過鉭電容的額定溫度以及相關(guān)降額設(shè)計(jì)。
3.4 片狀多層陶瓷電容
片狀多層陶瓷電容應(yīng)該是出貨量最大的電容,制造商也比較多,像三大日系TDK、muRata、Taiyo Yuden,美系像KEMET、AVX(已經(jīng)被日本京瓷收購(gòu)了)。
三大日系做的比較好的就是有相應(yīng)的選型軟件,有電感、電容等所有系列的產(chǎn)品及相關(guān)參數(shù)曲線,非常全,不得不再次推薦一下:
3.4.1 Class I電容
Class I電容應(yīng)用最多的是C0G電容,性能穩(wěn)定,適用于諧振、匹配、濾波等高頻電路。
C0G電容的容值十分穩(wěn)定,基本不隨外界條件(頻率除外)變化,下圖是Murata一款1000pF電容的直流、交流及溫度特性。
因此,通常只需要關(guān)注C0G電容的頻率特性。下圖是Murata的3款相同封裝(0402inch)相同容差(5%)的10pF電容的頻率特性對(duì)比。
其中GRM是普通系列,GJM是高Q值系列、GQM是高頻系列,可見GQM系列高頻性能更好,自諧振頻率和Q值更高,一些高頻性能要求很高的場(chǎng)合,可以選用容差1%的產(chǎn)品。而GRM系列比較便宜,更加通用,例如EMC濾波。
3.4.2 Class II和Class III電容
Class II和Class III電容都是高介電常數(shù)介質(zhì),性能不穩(wěn)定,容值變化范圍大,通常用作電源去耦或者信號(hào)旁路。
以Murata一款22uF、6.3V、X5R電容為例,相關(guān)特性曲線:
容值
Class II和Class III電容,容值隨溫度、DC偏置以及AC偏置變化范圍較大。特別是用作電源去耦時(shí),電容都有一定的直流偏置,電容量比標(biāo)稱值小很多,所以要注意實(shí)際容值是否滿足設(shè)計(jì)要求。
紋波電流
作為DCDC的輸入和輸出電容,都會(huì)有一定的紋波電流,由于ESR的存在會(huì)導(dǎo)致一定的溫升。加上環(huán)境溫度,不能超過電容的額定溫度,例如X5R電容最高額度溫度是85℃。
通常由于多層陶瓷電容ESR較小,能承受的紋波電流較大。
自諧振頻率
電容由于ESL的存在,都有一個(gè)自諧振頻率。大容量的電容,自諧振頻率較低,只有1-2MHz。所以,為了提高電源的高頻效應(yīng),大量小容值的去耦電容是必須的。此外,對(duì)于開關(guān)頻率很高的DCDC芯片,要注意輸入輸出電容的自諧振頻率。
ESR
設(shè)計(jì)DCDC電路,需要知道輸出電容的ESR,來計(jì)算輸出電壓紋波。多層陶瓷電容的ESR通常較低,大約幾到幾十毫歐。
3.5 安規(guī)電容
對(duì)于我們家用的電子設(shè)備,最終都是220V交流市電供電。電源適配器為了減少對(duì)電網(wǎng)的干擾,通過相關(guān)EMC測(cè)試,都會(huì)加各種濾波電容。下圖為一個(gè)簡(jiǎn)易的電路示意圖:
對(duì)于L和N之間的電容叫X電容,L、N與PE或GND之間的電容叫Y電容。由于220V交流電具有危險(xiǎn)性,會(huì)威脅人的人身安全,電子產(chǎn)品都需要滿足相關(guān)安規(guī)標(biāo)準(zhǔn),例如GB4943和UL60950的相關(guān)測(cè)試要求。因此,X 電容和Y電容與這些測(cè)試直接相關(guān),所以也叫安規(guī)電容。
以抗電強(qiáng)度測(cè)試為例,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),L、N側(cè)為一次電路,需要與PE或GND之間為基本絕緣。因此,需要在L或N對(duì)GND之間加交流1.5kV或者直流2.12kV的耐壓測(cè)試,持續(xù)近1分鐘,期間相關(guān)漏電流不能超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。因此,安規(guī)電容,有相當(dāng)高的耐壓要求,同時(shí)直流漏電流不能太大。
此外,常用的RJ45網(wǎng)口,為了減小EMI,常用到Bob-Smith電路,如下圖所示:
可以看到電容的耐壓都是2kV以上,因?yàn)榫W(wǎng)口通常有變壓器,220V交流電的L和N到網(wǎng)線有兩個(gè)變壓器隔離,是雙重絕緣,L和N到網(wǎng)線之間也要進(jìn)行抗電強(qiáng)度測(cè)試。雙重絕緣,通常要求通過交流3kV或直流4.24kV測(cè)試。
因?yàn)?,安?guī)電容有高耐壓要求,通常使用瓷片電容或者小型薄膜電容。
此外,器件選型還要主要兩點(diǎn)要求:和結(jié)構(gòu)確認(rèn)器件的長(zhǎng)寬高;對(duì)插件封裝器件不多時(shí),是不是可以全部使用表貼器件,這樣可以省掉波峰焊的工序。
結(jié)語(yǔ)
本文大致介紹了幾類主要的電容的工藝結(jié)構(gòu),以及應(yīng)用選型。水平有限,難免疏漏,歡迎指出。同時(shí)僅熟悉信息技術(shù)設(shè)備,對(duì)電力電子、軍工等其他行業(yè)不了解,所以還有一些其他的電容相關(guān)應(yīng)用無(wú)法介紹。
來源:zhihu
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