一文读懂电容：参数选型、原理作用、高频特性、滤波储能

◆基本知识电容是一种储能器件以电场的方式储存能量。电容的正负极板上带有极性相反的等量电荷。电容两端电压指正负极间的压差不能突变即两极板带的电量不变电流可以突变。电容充电后存在电压是因为充电后两极板带有正负电荷存在电场电势差。电容的两种定义定义一任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体包含导线间都构成一个电容器。CεS/4πkd定义二电容是一种装电的容器是一种容纳电荷的器件。CQ/U电容电压U与电量Q成正比与容值C成反比电容的水缸比喻电容相当于一个水缸电容容量CQ/UQ电荷量水缸储存的水量U电压水缸的水位高度C容值水缸的截面积。电压U与电量Q成正比与容值C成反比电量Q与电压U成正比与容值C成正比。◆主要特性隔直通交表象电容对于低频信号容抗较大所以类似直流这种低频信号不能通过电容。频率越低电容就越容易累积电荷导致电压升高当电容电压等于电源电压的时候电容自身电场对外界的抵抗力最强阻抗也就最大。频率越高电容不断充放电就导致电压就越升不上去电容电压就越低电容自身电场对外界的抵抗力越弱阻抗也就越小。所以电容具有通高频阻低频的特性。对于频率低到一定程度电容电压长时间等于电源电压此时没有电流流进或流出电容电容相当于是断路的所以电容具有隔直通交的特性。充电放电本质QCUItCU为电容储存的电量It为电容充放电的电荷数。当电容的电源为交流电的时候电源电压不断变化所以输入电源与电容电压之间一直存在压差一直会有电流对电容充放电有电流流过电容。当外加电源高于电容电压的时候外加电源给电容充电有电流流进电容当外加电源低于电容电压的时候电容给负载放电有电流流出电容。宏观来看只要外加电源不断变化就一直有电流流过电容。 这就是电容的工作原理也是电容通交流阻直流的原因其实就是一个充放电过程。高频特性L寄生电感R1引线电阻R2损耗电阻因电容材质的问题会存在漏电流谐振点谐振频率F。容值越小谐振点越高。在谐振点上电容呈现谐振特性此时阻抗最低低频段谐振点以下。寄生参数的影响小表现为电容特性阻抗随着频率的升高而变小高频段谐振点以上。寄生参数的影响大表现为电感特性阻抗随着频率的升高而增大此时电容不再有滤波效果甚至会引起更多的干扰。一般信号在几Khz以上就要考虑电容的高频特性了电容的寄生电感由电容引脚长度、走线长度、过孔等决定所以电路设计时去耦电容应尽可能靠近芯片引脚加粗电源地线、加粗过孔、使用贴片电容等都是为了减小引线电感降低电容的谐振特性提高谐振点提高滤波性能。◆主要参数容量标称容量值耐压额定耐压值。取输入电压的1.5倍封装贴片或插件外形尺寸精度容值精度。有5%10%20%等。电容的精度一般要求不高自谐振频率频率特性自谐振点以下呈现电容特性自谐振点以上呈现电感特性谐振点上阻抗最低温度特性 - 材质介质种类的体现反应容值随温度变化的情况。一般温湿度环境中10nF以下选择NPO材质COG1uF以下选择X7R因为NPO的容量比较小做不大。延时、震荡、晶振等高精度电路中不起振一般是电容的问题至少选择X7R或NPO材质在高温高湿中比较稳定。例如X7RX表示低温-55度7表示高温125度R表示在-55度到125度之间电容容量变化15%。◆主要分类封装 分类贴片﹑插件极性 分类有极性﹑无极性有极性分为电解电容钽电容两种。电解电容又分为插件电解电容和贴片电解电容两种。电解电容横杠表示负极钽电容的横杠表示正极。无极性分为瓷片电容X电容Y电容独石电容CBB电容等。材料 分类瓷片﹑独石﹑电解电容﹑钽电容﹑CBB﹑云母瓷片以陶瓷为介质的电容。无极性常为插件。有NPO﹑COG﹑X7R等多种材质。优点高频特性好﹑体积小﹑价格低﹑耐压高缺点容量小﹑易碎。独石也叫多层陶瓷电容MLCC。无极性常为贴片。常见的0603﹑0805等都是已取代瓷片成为主流的去耦和滤波电容。相比于瓷片电容高频特性更好﹑稳定性更好﹑体积更小﹑寿命更长﹑价格极低﹑耐压低可看作瓷片电容的升级版。电解电容以金属氧化膜为介质﹑电解液为阴极的电容。有极性有插件﹑贴片两种。常用于储能或电源电路中。优点有极性﹑容量大﹑耐压高﹑价格低。 缺点体积大﹑高频特性差﹑漏电流大﹑寿命短。钽电容以金属钽为阳极﹑二氧化锰为阴极的电容固体电容。有极性有插件﹑贴片两种。常用于储能或电源电路中。相比于电解电容体积更小﹑性能更稳定﹑漏电流更小﹑寿命更长但价格更高﹑耐压低。CBB以聚丙烯为介质的电容。无极性常为插件。耐压高﹑损耗小﹑稳定性好常用于高频、大电流的场合滤波(如电机启动)。云母以云母片为介质的电容。精度和稳定性极高﹑损耗极小﹑容量小﹑价格高常用于对性能要求极严苛的高频﹑射频电路中。作用 分类储能电容﹑滤波电容﹑安规电容储能电容电解电容钽电容两种电解电容用于一般储能钽电容用于要求高的地方储能。滤波电容瓷片电容独石电容CBB电容三种。瓷片用于普通滤波独石用于高频滤波电源去耦CBB用于电源输入等高压滤波。安规电容X电容CBB电容Y电容高压瓷片电容两种。用在电源或通信接口的EMI滤波器用于EMI滤波和EMC防护。◆主要作用 - 滤波电容瓷片电容瓷片电容容值小寄生参数小谐振点高多用于高频滤波。电解电容容值大寄生参数大谐振点低多用于低频储能。噪声来源电源电源本身带有的高次谐波噪声dv/dt和di/dt负载负载开关引起的高次谐波噪声dv/dt和di/dt传输线传输线阻抗失配引起的高次噪声谐波dv/dt和di/dt耦合周边工作的器件/导体通过传导/辐射耦合过来的高次谐波噪声dv/dt和di/dt滤波过程分析上图电路中A A-点由于5V电源电压的钳位作用没有高频噪声信号存在5V电源经过AB导线的传输当导线比较长的时候由于导线寄生参数导致的阻抗不连续﹑相互耦合等各种原因会引起高频噪声干扰dv/dt和di/dt因此B B-点带有高频噪声。电容可用于滤除dv/dt高频噪声干扰在没有C1电容时dv/dt高频噪声干扰会直接传输给R1负载当带有C1电容时对于dv/dt高频噪声干扰C1电容的阻抗很小所以高频噪声信号会通过C1电容流走不会流向R1负载因此C1电容起到了滤除高频噪声干扰的作用。滤波电容选取相同容量的电容选用贴片瓷片电容不用电解电容对于高频信号由电容的阻抗公式可知电解电容和贴片瓷片电容的阻抗都比较低但这是不对的。因为对于高频信号需要考虑电容的高频特性即寄生参数的影响此时电容不再是纯电容。电容具有谐振点谐振点以下表现为电容特性具有滤波作用谐振点以上表现为电感特性此时不具有滤波作用反而会引起噪声。谐振点f0电解电容尺寸大﹑引脚长存在比较大的寄生电感所以谐振点低适合于低频信号的储能和滤波。贴片瓷片电容比较小引脚短所以寄生电感小谐振点高可以用于高频噪声信号的滤波。不同容量的电容电容容值越小滤除高频噪声效果越高电容外观尺寸一致的情况下寄生电感值差不多而谐振点f0所以电容容值越大谐振点越低适合滤波频点也越低。电容容值越小谐振点越高适合滤波频点就越高越适合高频噪声信号的滤波。大概参考见下面10uF 适合100hz以下噪声滤波1uF 适合1Khz到10Khz之间的噪声滤波0.1uF 适合10Khz到100Khz之间的噪声滤波◆主要作用 - 储能电容电解电容瓷片电容容值小寄生参数小谐振点高多用于高频滤波。电解电容容值大寄生参数大谐振点低多用于低频储能。储能过程分析QCU电容储存的电量I*t负载能消耗的电量相同的I*tC越大U变化越小。电路加入电容就相当于加入水缸只要水缸够大并蓄满水无论后面取水多少即负载电流I大还是小输出电压都会比较稳定不会波动很大。因为负载消耗的电量I*t对于大电容来说只能引起很小的电压波动电容值越大波动越小。电路不接电容C输出波形为右图中间虚线波形。接电容C输出波形为右图中间实线波形电容平滑了输出电压。当输入信号为上升沿并且输入电压大于电容电压时输入电压给电容C充电此时充电回路没有阻抗因此充电很快电容C电压波形跟随输入电压变化几乎重叠输入波形和输出波形一致当输入波形越过峰值开始下降时输入电源给电容C充电并且给负载RL供电此时电容C电压跟随输入电压下降但是输入电压快速下降而电容C容量大下降缓慢当输入电压低于电容C电压时电容C变成电源给负载RL放电由于负载RL电阻的作用电容的放电电流比充电电流小很多所以放电电压下降很缓慢放电系数为RCRC越大放电越慢当输入波形再次进入上升沿并且输入电压开始大于电容电压时输入电压再次给电容充电依次循环往复。整个过程为电容的储能和释放过程电容滤波后输出波形变得平缓很多。电解电容的大小举例QCUIt电容满充电压5V负载电流I5A时间t1s周期内负载需要电荷Q5A*1s5库伦。因此需要电容放出电量QC*U5库伦电容电压UcVCC-U电容比较小的时候C1F Q1F*U 5库伦U5VUc5V-U0V。此时一个周期内电容放电到0V对于输出电压并没有起到平滑的作用电容取值太小电容容值增加一倍C2F Q1F*U 5库伦U2.5VUc5V-U2.5V。此时一个周期内电容放电到2.5V对于输出电压有起到平滑作用但是效果不理想输出电压波动较大电容取值还是太小电容容值增加10倍C10F Q10F*U 5库伦U0.5VUc5V-U4.5V。此时一个周期内电容放电到4.5V对于输出电压有起到平滑作用输出电压波动较小效果比较好选大了电容越大储能越多输出越平稳输出纹波越小。但电容也不是越大越好电容越大越贵成本浪费。选小了电容越小储能越少不够负载使用输出纹波越大由于电解电容存在大的寄生参数ESR影响纹波频率越高综合阻抗就比较大电容温升就会比较高导致电解液挥发电容的寿命和容值就进一步下降。选适中电路持续工作两小时后手还能摸得上去。电解电容的取值容值确定常用的四种方法经验取值法快速估算法正式计算法实验验证法详细看下面耐压确定确定电容所在电路节点的最大电压值电容耐压值需留一定的余量一般取额定电压的1.5倍封装确定根据实际情况确定电容的封装信息◆主要作用 - 安规电容X电容 Y电容安规电容用在ACDC开关电源或传输通信接口的输入端用于跟差模电感和共模电感共同组成EMI滤波电路。安规电容分为安规X电容和安规Y电容两类安规X电容-滤除差模干扰X电容跨接在电力线的L-N之间X电容能够有效抑制差模干扰通常采用耐压高耐纹波电流大的CBB聚酯薄膜电容容量在uF级这种电容体积比较大但允许的瞬间充放电电流也很大而且内阻比较小。X电容取值不能太大因为X用于滤除220V L与N线间的差分干扰跨接在220V上面如果容值太大容抗很低220V通过X的电流就会很大存在风险因此X电容取值10nF-2.2uF就好。安规Y电容-滤除共模干扰Y电容跨接在电力线的L-G/N-G之间Y电容能够有效抑制共模干扰通常采用高压瓷片电容Y电容的存在会使得开关电源有一项漏电流的电性指标。工作在亚热带的机子要求对地漏电流小于0.7mA工作在温带的机子要求对地漏电流小于0.35mA因此Y电容的总容量一般不超过4700pF。备注安规电容相对于普通电容的特殊之处安规电容是专门设计的安全型电容具有强制性的安全认证要求使用的安规电容必须带有安规标志和认证证书。安规X电容跨接在L-N之间即使发生短路失效也只会导致保险丝熔断不会让设备外壳带电从而保护使用者。安规Y电容跨接在L/N-PE之间即使失效漏电流也极低确保使用者触摸设备外壳也不会发生触电危险。◆应用实例分析刚上电电容无电压刚上电的时候电容电压为0V此时电容相当于短路相对负载来说电容阻抗很小电源输出电流几乎全部流过电容充电几乎没有电流流过负载上电后电容有电压此时电容上面积累了一定的电荷形成电场对电源电压有了一定的阻力电容有一定的阻抗电源输出电流有一部分流过电容充电有一部分给负载供电充满后电容满电压此时电容电压等于电源电压电容上的电压抵消了电源电压对电源的阻力很大所以电容的阻抗很大电源输出电流几乎全部流过负载供电几乎没有电流流过电容电路正常工作负载电流1A此时电源能够提供1A的电流不需要从电解电容取电输出电压没有波动电路异常工作负载电流5A此时电源无法提供5A的电流只能提供1A的电流剩余的4A电流需要从电解电容上取QCUIT这会导致电解电容电压下降是的输出电压降低当异常消失时电解电容电压低于电源电压电源会给电容再次充电将电容充满充电到电源电压。异常情况出现时输出电压会波动波动大小与电解电容大小有关出现高频噪声干扰由于电源电压波动﹑负载开关﹑传输线阻抗失配﹑寄生参数影响﹑线路耦合等各种原因引起的噪声会在负载电源上出现高频噪声信号由于电解电容具有大的寄生参数谐振点低对于高频电容来说不具有电容特性而是呈现电感特性所以电解电容不能滤除高频噪声干扰并且可能会带来干扰滤除高频噪声干扰在负载电源输入端并联小的贴片瓷片电容贴片瓷片电容具有很小的寄生参数谐振点高对于高频噪声信号来说贴片瓷片电容具有电容特性能够滤除高频噪声干扰。并联贴片瓷片电容后高频噪声干扰通过瓷片电容流回电源的地不再经过负载稳定了负载的电源电解电容的作用给负载突发情况需要大电流时提供大的电流使得输出电压不会波动很大稳定输出电压如果没有电解电容则远端电源对于突然的负载开关高频大电流需求会出现内阻过大、供电不上等问题导致负载工作异常。因此说芯片电源引脚附近的电解电容形成了局部电源降低了电源内阻提高了瞬间供电能力。并且PCB上走线的阻抗和感抗会降低输出电源的驱动能力即增大了阻抗降低了最大输出电流可通过并联电容有效降低电源内阻提高驱动能力。瓷片电容的作用给高频噪声信号提供通路使得高频噪声信号的大部分能量通过电容流走不经过负载滤除负载电源输出的毛刺本篇为电容精简分享完整版资料已整理成册。后续我会持续更新各类电子元器件干货欢迎大家点赞关注需要资料或有技术问题都可以私信我交流。 资料为个人整理仅供学习参考严禁外传。