[电路]电容的参数_种类_应用

浅谈电源设计中电容的电性能参数,常见电容器类型与实际应用

电容的性能参数

  • 在没有认真阅读电源芯片相关手册,考虑分析浪涌等性能参数之前,我对电容的概念还停留在理想的电容器的阶段。只知道,电容可以滤波、储能,认为电容就是一个 C。却不知道,电容还有很多重要的参数,也不知道一个 1uF 的瓷片电容和一个 1uF 的铝电解电容,一个同材质贴片0402电容与0805封装的电容,在性能参数上,到底是有什么不同。

电容的等效模型

  • 实际的电容可以等效成下面的电路形式:

C:电容容值与误差

  • 电容的容值一般是指在 1kHz, 1V 等效 AC 电压,直流偏压为 0V 情况下测到的电容量,不过也可有很多电容测量的环境不同。但有一点需注意,电容值 C 本身是会随环境发生改变的。
  • 电容的误差是指实际电容量与标称电容量之间的最大偏差范围,一般分为三个级别。一级:±5%;二级:±10%;三级:±20%。

DWV:电容耐电压值

  • 电容器的耐电压性能就是指电容器的陶瓷介质在工作状态中能够承受的最大电压,即击穿电压,也就是电容器的极限电压。

WV:电容工作电压

  • 电容器的标称电压即电容器的工作电压,标称电压一般是相对于直流来说的。一般来说,电容器的标称电压远远低于其瓷介的耐电压。因为,在实际的工作过程中,电容器除了两端时时要承受的直流电压外,另外常有脉冲交流电压存在,而这个交流电压的峰值常常远远高出工作过程中的直流电压。

ESL:电容等效串联电感

  • 电容的管脚是存在电感的。在低频应用时感抗较小,所以可以不考虑。当频率较高时,就要考虑这个电感了。举个例子,一个 0805 封装的 0.1uF 贴片电容,每管脚电感 1.2nH,那么 ESL 是 2.4nH,可以算一下 C 和 ESL 的谐振频率为 10MHz 左右,当频率高于 10MHz,则电容体现为电感特性。

ESR:电容等效串联电阻

  • 无论哪种电容都会有一个等效串联电阻,当电容工作在谐振点频率时,电容的容抗和感抗大小相等,于是等效成一个电阻,这个电阻就是 ESR。因电容结构不同而有很大差异。铝电解电容 ESR 一般由几百毫欧到几欧,瓷片电容一般为几十毫欧,钽电容介于铝电解电容和瓷片电容之间。
  • 以X7R材质的瓷片电容的频率特性为例:

其他电性能参数

  • 电容相关的参数除了以上介绍到的几个外还有很多,如漏电流参数、工作温度(T)、温度系数(TC)、绝缘电阻(IR)、损耗参数(DF)、品质因数(Q)等。不过,设计中最重要的参数还是 C、WV、和 ESR。
  • 如果需要了解电容器相关的参数与数据资料,可以到Murata村田官网或是kemet基美官网了解下载,这两家公司都是全球知名的电容器生产商,基本覆盖了绝大多数我们日常使用的电容器参数与型号。

常见电容器种类

  • 下面简单介绍一下我们常用到的三种电容:铝电解电容,瓷片电容和钽电容。

铝电解电容

  • 电容特点:
  1. 大中型体积,大容量
  2. 耐压适中,有极性
  3. 高ESR,用于储能
  4. 价格低廉
  • 失效原因:
  1. 铝电解电容的过压失效
  2. 铝电解电容的反向击穿
  3. 物理连接的的开路失效
  4. 铝电解电容的漏夜失效
  • 铝电容是由铝箔刻槽氧化后再夹绝缘层卷制,然后再浸电解质液制成的,其原理是化学原理,电容充放电靠的是化学反应,电容对信号的响应速度受电解质中带电离子的移动速度限制,一般都应用在频率较低(1M 以下)的滤波场合, ESR 主要为铝萡电阻和电解液等效电阻的和,故ESR的数值会比较大。铝电容的电解液会逐渐挥发而导致电容减小甚至失效,随温度升高挥发速度加快。温度每升高 10 度,电解电容的寿命会减半。如果电容在室温 27 度时能使用10000 小时的话,57 度的环境下只能使用 1250 小时。所以在使用铝电解电容时尽量不要太靠近热源,会很大程度上降低其寿命。
  • 还有在电解电容的顶部,我们常会看到十字形凹槽。在电容器质量较差,电压过高超过电容器的耐压值导致击穿,或安装时极性接错,电容器很容易爆炸引起危险。该十字凹槽即位电容器的保险装置,当电容内部压力较大时,顶部裂开释放压力,避免爆炸。所以,在初次上电调试时,切勿紧靠或直视电源顶部,防止被爆炸飞溅出的电解液伤到。

瓷片电容

  • 电容特点:
  1. 微小体积,小容量
  2. 高耐压,无极性
  3. 低ESR,高频特性好
  4. 价格较贵
  • 失效原因:
  1. 陶瓷电容过压失效
  2. 焊接变形失效
  3. 温度特性不稳定
    -瓷片电容存放电靠的是物理反应,因而具有很高的响应速度,可以应用到上 G 的场合。不过,瓷片电容因为介质不同,也呈现很大的差异。性能最好的是 C0G 材质的电容,温度系数小,不过材质介电常数小,所以容值不可能做太大。而性能最差的是 Z5U/Y5V 材质,这种材质介电常数大,所以容值能做到几十微法。但是这种材质受温度影响和直流偏压(直流电压会致使材质极化,使电容量减小)影响很严重。下面我们看一下 几种材质电容容值受环境温度和直流工作电压的影响。
  • 可以看到 C0G 的容值基本不随温度变化, X5R 稳定性稍差些,而 Y5V 材质在 60 度时,
    容量变为标称值的 50%。
  • 可以看到 50V 耐压的 Y5V 瓷片电容在应用在 30V 时,容量只有标称值的 30%。
  • 陶瓷电容有一个很大的缺点,就是易碎。所以使用时需要避免磕碰,尽量远离电路板易发生形变的
    地方

钽电容

  • 电容特点:
  1. 小体积,较大容量
  2. 耐压低,有极性
  3. ESR适中,宽工作温度
  4. 价格适中
  5. 钽电容的耐压值推荐按2倍进行选择
  • 缺点:
  1. 耐电压及电流能力弱
  2. 失效的模式很恐怖
  • 钽电容无论是原理和结构都像一个电池。下面是钽电容的内部结构示意图:
  • 钽电容拥有体积小、容量大、速度快、 ESR 低等优势,价格也比较高。决定钽电容容量和耐压的是原材料钽粉颗粒的大小。颗粒越细可以得到越大的电容,而如果想得到较大的耐压就需要较厚的 Ta2O5,这就要求使用颗粒大些的钽粉。所以体积相同要想获得耐压高而又容量大的钽电容难度很大。
  • 钽电容需引起注意的另一个地方是:钽电容比较容易击穿而呈短路特性,抗浪涌能力差。很可能由于一个大的瞬间电流导致电容烧毁而形成短路。这在使用超大容量钽电容(如 1000uF 钽电容)时需考虑,实际应用时可考虑将两个钽电容进行串联以提高串联后电容整体的耐压值。

电源设计中电容的作用

  • 在电源设计中,电容主要用于滤波(filter)和去耦/旁路(decoupling/bypass)。滤波主要指滤除外来噪声,而去耦/旁路(去耦的一种,以旁路的形式达到退耦效果,以后用“去耦”代替)是减小局部电路对外的噪声干扰。
  • 以下图的电路结构为例,进行具体说明。
  • 图中开关电源为 A 和 B 供电。电流经 C1 后再经过一段 PCB 走线(暂等效为一个电感,实际用电磁波理论分析这种等效是有误的。)分开两路分别供给 A 和 B。开关电源出来的纹波比较大,于是我们使用 C1 对电源进行滤波,为 A 和 B 供稳定的电压。

去耦电容

  • C2 和 C3 均为旁路电容,起去耦作用。当 A 在某一瞬间需要一个很大的电流时,如果没有 C2 和 C3,那么会因为线路电感的原因 A 端的电压会变低,而 B 端电压同样受 A 端电压影响而降低,于是局部电路 A 的电流变化引起了局部电路 B 的电源电压,从而对 B 电路的信号产生影响。同样, B 的电流变化也会对 A 形成干扰。这就是“共路耦合干扰”。
  • 增加了 C2 后,局部电路再需要一个瞬间的大电流的时候,电容 C2 可以为 A 暂时提供
    电流,即使共路部分电感存在, A 端电压不会下降太多。对 B 的影响也会减小很多。于是通
    过电流旁路起到了去耦的作用,去耦即去除耦合关系的意思。
  • 去耦电容要求必需具有很快的响应速度才能达到预期的去耦效果。如果图中的局部电路 A 是指一个芯片的话,那么退耦电容要用瓷片电容,而且电容尽可能靠近芯片的电源引脚。而如果“局部电路 A”是指一个功能模块的话,可以使用瓷片电容,如果容量不够也可以使用钽电容或铝电解电容(前提是功能模块中各芯片都有了退耦电容—瓷片电容)。
  • 去耦电容需要满足两个要求,一个是容量需求,另一个是 ESR 需求。以芯片去耦为例说明该问题。一个芯片(局部电路 A)电源(2.5V)为 16 个IO 管脚供电,每个管脚都挂一个 50 欧的负载。在 1ns 内, 16 个管脚同时由低电平翻转为高电平,需要 16*(2.5/50) =800mA 的电流,如果我们希望对 B 的影响较小,需要 A 芯片供电脚电压降低不超过 100mV。那么,假共路部分很长,电感很大(暂设完全断开),先不考虑 ESR,算一下 A 需要多大的退耦电容。
  • 为满中要求,电压变化不大的情况下,可以用下面式子计算。

V×C>I×tV_降 \times C > I \times t

  • 也就是说0.1(V)×C>0.8(A)×1(ns)0.1(V) \times C > 0.8(A) \times 1(ns),得出 C 应不小于 8nF(实际的式子还和翻转频率有关,算出的电容值比这个值要大,这里作了简化)。
  • 为什么对 ESR 也提出需求?假如电容的 ESR 很大,那么就不能通过 800mA 的电流,因此即使电容容量大于 8nF,如果 ESR 较大则还是满足不了实际需求。(实际还要考虑 ESL)

滤波电容

  • 一般滤波主要使用大容量电容,对速度要求不是很快,但对电容值要求较大。一般使用铝电解电容。浪涌电流较小的情况下,使用钽电容代替铝电解电容效果会更好一些。
  • 电源模块中使用的滤波电容主要用于滤除DC模块的开关频率以及其高次谐波频率,故其的容量往往都可以从开关电源芯片的数据手册里找到计算公式,针对每一款电源芯片,不同的开关模式,电容的种类,数量,都会导致不同的参数选择,需根据实际情况进行选定。
  • 如果滤波电路同时使用电解电容、钽电容和瓷片电容的话,把电解电容放的离开关电源最近,这样能保护钽电容。瓷片电容放在钽电容后面。这样可以获得最好的滤波效果。

总结

  • 对三类电容的特性与使用建议整理总结如下:
铝电解电容 钽电容 陶瓷电容
电容量 0.1uF-3F 0.1uF-1000uF 0.5pF-100uF
耐压 5-500V 2-50V 2-1000V
ESR 几十毫欧--2.5欧姆(100KHZ/25℃) 几十毫欧--几百毫欧(100KHZ/25℃) 几十毫欧--几百毫欧(100KHZ/25℃)
ESL 不超过100nH 2nH左右 1-2nH
工作频率范围 低频滤波,小于600KHz 中低频滤波,几百KHz--几MHz 高频滤波,几MHz-几GHz
薄弱点 窄温度范围,电解液会挥发,纹波电流导致发热 必须降额使用,否则电光闪烁、飞花四溅 焊接温度冲击容易导致失效、抗弯曲能力较差,不同材料温度特性差异巨大
使用建议 用于储能,低于75℃环境,不建议用于高频开关电源 15V以上直流电源滤波不建议使用,特别是电源变化较快的场合,浪涌冲击失效显著 布线不要放在应力区(板边缘与螺丝孔附近),避开高温区域