电容的工作原理及电容的分类选择与应用

红灯记

电容的工作原理及电容的选择应用？什么是电容？电容的单位是什么？本文将详细为您解答！ 话说电容之一：电容的作用 作为无源元件之一的电容，其作用不外乎以下几种： 1、应用于电源电路，实现旁路、去藕、滤波和储能。 电容的工作原理及电容的选择应用？什么是电容？电容的单位是什么？本文将详细为您解答！

话说电容之一：电容的作用

作为无源元件之一的电容，其作用不外乎以下几种：

1、应用于电源电路，实现旁路、去藕、滤波和储能的作用。下面分类详述之：

1）旁路

旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。 就像小型可充电电池样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。 为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。 这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。

2）去藕

去藕，又称解藕。 从电路来说， 总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大， 驱动电路要把电容充电、放电， 才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候， 电流比较大， 这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是所谓的“耦合”。

去藕电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.1μF、0.01μF 等；而去耦合电容的容量一般较大，可能是10μF 或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。

旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。

3）滤波

从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1μF 的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越小低频越容易通过，电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中,大电容（1000μF）滤低频，小电容（20pF）滤高频。曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。滤波就是充电，放电的过程。

4）储能

储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。 电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150 000μF 之间的铝电解电容器（如EPCOS 公司的 B43504 或B43505）是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式， 对于功率级超过10KW 的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

2、应用于信号电路，主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用：

1）耦合

举个例子来讲，晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合， 这个电阻就是产生了耦合的元件，如果在这个电阻两端并联一个电容， 由于适当容量的电容器对交流信号 较小的阻抗，这样就减小了电阻产生的耦合效应，故称此电容为去耦电容。

2）振荡/同步

包括RC、LC 振荡器及晶体的负载电容都属于这一范畴。

3）时间常数

这就是常见的 R、C 串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时，电容（C）上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通过电阻（R）、电容（C）的特性通过下面的公式描述：

i = (V / R)e - (t / CR)

话说电容之二：电容的选择

通常，应该如何为我们的电路选择一颗合适的电容呢？笔者认为，应基于以 下几点考虑：

1、静电容量；

2、额定耐压；

3、容值误差；

4、直流偏压下的电容变化量；

5、噪声等级；

6、电容的类型；

7、电容的规格。

那么，是否有捷径可寻呢？其实，电容作为器件的外围元件，几乎每个器件的 Datasheet 或者 Solutions，都比较明确地指明了外围元件的选择参数，也就是说，据此可以获得基本的器件选择要求，然后再进一步完善细化之。其实选用电容时不仅仅是只看容量和封装，具体要看产品所使用环境，特殊的电路必须用特殊的电容。

下面是 chip capacitor 根据电介质的介电常数分类， 介电常数直接影响电

路的稳定性。

NP0 or CH （K < 150）： 电气性能最稳定，基本上不随温度﹑电压与时间的改变而改变，适用于对稳定性要求高的高频电路。鉴于K 值较小，所以在0402、0603、0805 封装下很难有大容量的电容。如 0603 一般最大的 10nF以下。X7R or YB （2000 < K < 4000）： 电气性能较稳定,在温度﹑电压与时间改变时性能的变化并不显著（?C < ±10%）。适用于隔直、偶合、旁路与对容量稳定性要求不太高的全频鉴电路。Y5V or YF（K > 15000）： 容量稳定性较 X7R 差（?C < +20% ～ -80%），容量﹑损耗对温度、电压等测试条件较敏感，但由于其K 值较大，所以适用于一些容值要求较高的场合。

话说电容之三：电容的分类

电容的分类方式及种类很多，基于电容的材料特性，其可分为以下几大类：

1、铝电解电容

电容容量范围为0.1μF ～ 22000μF，高脉动电流、长寿命、大容量的不二之选，广泛应用于电源滤波、解藕等场合。

2、薄膜电容

电容容量范围为0.1pF ～ 10μF，具有较小公差、较高容量稳定性及极低的压电效应，因此是X、Y 安全电容、EMI/EMC 的首选。

3、钽电容

电容容量范围为2.2μF ～ 560μF，低等效串联电阻（ESR）、低等效串联 电感（ESL）。脉动吸收、瞬态响应及噪声抑制都优于铝电解电容，是高稳定电源的理想选择。

4、陶瓷电容

电容容量范围为0.5pF ～ 100μF，独特的材料和薄膜技术的结晶，迎合了当今“更轻、更薄、更节能“的设计理念。

5、超级电容

电容容量范围为0.022F ～ 70F，极高的容值，因此又称做“金电容”或者“法拉电容”。主要特点是：超高容值、良好的充/放电特性，适合于电能存储 和电源备份。缺点是耐压较低，工作温度范围较窄。


话说电容之四：多层陶瓷电容（MLCC）

对于电容而言，小型化和高容量是永恒不变的发展趋势。其中，要数多层陶瓷电容（MLCC）的发展最快。

多层陶瓷电容在便携产品中广泛应用极为广泛，但近年来数字产品的技术进步对其提出了新要求。例如，手机要求更高的传输速率和更高的性能；基带处理器要求高速度、低电压；LCD 模块要求低厚度（0.5mm）、大容量电容。 而汽车环境的苛刻性对多层陶瓷电容更有特殊的要求：首先是耐高温，放置于其中的多层陶瓷电容必须能满足150℃ 的工作温度；其次是在电池电路上需要短路失效保护设计。

也就是说，小型化、高速度和高性能、耐高温条件、高可靠性已成为陶瓷电容的关键特性。

陶瓷电容的容量随直流偏置电压的变化而变化。直流偏置电压降低了介电常数， 因此需要从材料方面，降低介电常数对电压的依赖，优化直流偏置电压特性。

应用中较为常见的是 X7R（X5R）类多层陶瓷电容， 它的容量主要集中在1000pF 以上，该类电容器主要性能指标是等效串联电阻（ESR），在高波纹电 流的电源去耦、滤波及低频信号耦合电路的低功耗表现比较突出。

另一类多层陶瓷电容是 C0G 类，它的容量多在 1000pF 以下， 该类电容器主要性能指标是损耗角正切值 tgδ(DF)。传统的贵金属电极（NME）的 C0G 产品 DF 值范围是 (2.0 ～ 8.0) × 10-4，而技术创新型贱金属电极（BME）的C0G 产品 DF 值范围为 (1.0 ～ 2.5) × 10-4， 约是前者的 31 ～ 50%。 该 类产品在载有 T/R 模块电路的 GSM、CDMA、无绳电话、蓝牙、GPS 系统中低功耗特性较为显著。较多用于各种高频电路，如振荡/同步器、定时器电路等。

话说电容之五：钽电容

替代电解电容的误区通常的看法是钽电容性能比铝电容好，因为钽电容的介质为阳极氧化后生成 的五氧化二钽，它的介电能力（通常用ε 表示）比铝电容的三氧化二铝介质要高。

因此在同样容量的情况下，钽电容的体积能比铝电容做得更小。（电解电容的电 容量取决于介质的介电能力和体积，在容量一定的情况下，介电能力越高，体积 就可以做得越小，反之，体积就需要做得越大）再加上钽的性质比较稳定，所以 通常认为钽电容性能比铝电容好。

但这种凭阳极判断电容性能的方法已经过时了，目前决定电解电容性能的关 键并不在于阳极，而在于电解质，也就是阴极。因为不同的阴极和不同的阳极可 以组合成不同种类的电解电容，其性能也大不相同。采用同一种阳极的电容由于 电解质的不同，性能可以差距很大，总之阳极对于电容性能的影响远远小于阴极。 还有一种看法是认为钽电容比铝电容性能好，主要是由于钽加上二氧化锰阴 极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。如果把铝电解液电容的阴极更换为 二氧化锰， 那么它的性能其实也能提升不少。

可以肯定，ESR 是衡量一个电容特性的主要参数之一。 但是，选择电容，应避免 ESR 越低越好，品质越高越好等误区。衡量一个产品，一定要全方位、 多角度的去考虑，切不可把电容的作用有意无意的夸大。

---以上引用了部分网友的经验总结。

普通电解电容的结构是阳极和阴极和电解质，阳极是钝化铝，阴极是纯铝， 所以关键是在阳极和电解质。阳极的好坏关系着耐压电介系数等问题。

一般来说，钽电解电容的ESR 要比同等容量同等耐压的铝电解电容小很多， 高频性能更好。如果那个电容是用在滤波器电路（比如中心为50Hz 的带通滤波益。然而,这需要你在PCB 面积、器件数目与成本之间寻求折衷。


话说电容之八：电解电容的电参数

这里的电解电容器主要指铝电解电容器，其基本的电参数包括下列五点：

1、电容值

电解电容器的容值，取决于在交流电压下工作时所呈现的阻抗。因此容值， 也就是交流电容值，随着工作频率、电压以及测量方法的变化而变化。在标准 JISC 5102 规定：铝电解电容的电容量的测量条件是在频率为 120Hz，最大交 流电压为 0.5Vrms，DC bias 电压为1.5 ～ 2.0V 的条件下进行。可以断言， 铝电解电容器的容量随频率的增加而减小。

2、损耗角正切值 Tan δ

在电容器的等效电路中，串联等效电阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比称之为 Tan δ， 这里的 ESR 是在 120Hz 下计算获得的值。显然，Tan δ 随着测量频率 的增加而变大，随测量温度的下降而增大。

3、阻抗 Z

在特定的频率下，阻碍交流电流通过的电阻即为所谓的阻抗（Z）。它与电 容等效电路中的电容值、电感值密切相关，且与 ESR 也有关系。

Z = √ [ESR2 + (XL - XC)2 ]

式中，XC = 1 / ωC = 1 / 2πfC

XL = ωL = 2πfL

电容的容抗（XC）在低频率范围内随着频率的增加逐步减小，频率继续增加 达到中频范围时电抗（XL）降至 ESR 的值。当频率达到高频范围时感抗（XL） 变为主导，所以阻抗是随着频率的增加而增加。

4、漏电流

电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。然而，由于铝氧化膜介质上 浸有电解液，在施加电压时，重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小 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。

5、纹波电流和纹波电压

在一些资料中将此二者称做“涟波电流”和“涟波电压”，其实就是 ripple current，ripple voltage。 含义即为电容器所能耐受纹波电流/电压值。 它们和ESR 之间的关系密切，可以用下面的式子表示：

Urms = Irms × R

式中，Vrms 表示纹波电压

Irms 表示纹波电流

R 表示电容的 ESR

由上可见，当纹波电流增大的时候，即使在 ESR 保持不变的情况下，涟波电压也会成倍提高。换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是要求电容具备更低 ESR 值的原因。叠加入纹波电流后，由于电容内部的等效串连电阻（ESR）引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。一般的，纹波电流与 频率成正比，因此低频时纹波电流也比较低。

话说电容之九：电容器参数的基本公式

1、容量（法拉）

英制： C = ( 0.224 × K · A) / TD

公制： C = ( 0.0884 × K · A) / TD

2、电容器中存储的能量

E = 1/2 CV2

3、电容器的线性充电量

I = C (dV/dt)

4、电容的总阻抗（欧姆）

Z = √ [ RS

2 + (XC – XL)2 ]

5、容性电抗（欧姆）

XC = 1/(2πfC)

6、相位角 Ф

理想电容器：超前当前电压 90o

理想电感器：滞后当前电压 90o

理想电阻器：与当前电压的相位相同

7、耗散系数 (%)

D.F. = tan δ （损耗角）

= ESR / XC

= (2πfC)(ESR)

8、品质因素

Q = cotan δ = 1/ DF

9、等效串联电阻ESR（欧姆）

ESR = (DF) XC = DF/ 2πfC

10、功率消耗

Power Loss = (2πfCV2) (DF)

11、功率因数

PF = sin δ (loss angle) – cos Ф (相位角)

12、均方根

rms = 0.707 × Vp

13、千伏安KVA （千瓦）

KVA = 2πfCV2 × 10-3

14、电容器的温度系数

T.C. = [ (Ct – C25) / C25 (Tt – 25) ] × 106

15、容量损耗(%)

CD = [ (C1 – C2) / C1 ] × 100

16、陶瓷电容的可靠性

L0 / Lt = (Vt / V0) X (Tt / T0)Y

17、串联时的容值

n 个电容串联：1/CT = 1/C1 + 1/C2 + ,,. + 1/Cn

两个电容串联：CT = C1 · C2 / (C1 + C2)

18、并联时的容值

CT = C1 + C2 + ,,. + Cn

19、重复次数（Againg Rate）

A.R. = % △C / decade of time

上述公式中的符号说明如下：

K = 介电常数

A = 面积

TD = 绝缘层厚度

V = 电压

t = 时间

RS = 串联电阻

f = 频率

L = 电感感性系数

δ = 损耗角

Ф = 相位角

L0 = 使用寿命

Lt = 试验寿命

Vt = 测试电压

V0 = 工作电压

Tt = 测试温度

T0 = 工作温度

X , Y = 电压与温度的效应指数。

话说电容之十：电源输入端的X,Y 安全电容

在交流电源输入端，一般需要增加三个电容来抑制EMI 传导干扰。交流电源的输入一般可分为三根线：火线（L）/零线（N）/地线（G）。在火线和地线之间及在零线和地线之间并接的电容，一般称之为Y 电容。这两个Y电容连接的位置比较关键，必须需要符合相关安全标准，以防引起电子设备漏电或机壳带电，容易危及人身安全及生命，所以它们都属于安全电容，要求电容值不能偏大，而耐压必须较高。一般地，工作在亚热带的机器，要求对地漏电电流不能超0.7mA；工作在温带机器，要求对地漏电电流不能超过0.35mA。因此，Y 电容的总容量一般都不能超过4700pF。

特别提示：Y 电容为安全电容，必须取得安全检测机构的认证。Y 电容的耐压一般都标有安全认证标志和AC250V 或AC275V 字样，但其真正的直流耐压高达5000V 以上。因此，Y 电容不能随意使用标称耐压AC250V，或DC400V之类的普通电容来代用。

在火线和零线抑制之间并联的电容，一般称之为X 电容。由于这个电容连接的位置也比较关键，同样需要符合安全标准。因此，X 电容同样也属于安全电容之一。X 电容的容值允许比Y 电容大，但必须在X 电容的两端并联一个安全电阻，用于防止电源线拔插时，由于该电容的充放电过程而致电源线插头长时间带电。安全标准规定，当正在工作之中的机器电源线被拔掉时，在两秒钟内，电源线插头两端带电的电压(或对地电位)必须小于原来额定工作电压的30%。同理，X 电容也是安全电容，必须取得安全检测机构的认证。X 电容的耐压一般都标有安全认证标志和AC250V 或AC275V 字样，但其真正的直流耐压高达2000V 以上，使用的时候不要随意使用标称耐压AC250V，或DC400V 之类的普通电容来代用。

X 电容一般都选用纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容，这种电容体积一般都很大，但其允许瞬间充放电的电流也很大，而其内阻相应较小。普通电容纹波电流的指标都很低，动态内阻较高。用普通电容代替X 电容，除了耐压条件不能 满足以外，一般纹波电流指标也是难以满足要求的。

实际上，仅仅依赖于Y 电容和X 电容来完全滤除掉传导干扰信号是不太可能的。因为干扰信号的频谱非常宽，基本覆盖了几十KHz 到几百MHz，甚至上千MHz 的频率范围。通常，对低端干扰信号的滤除需要很大容量的滤波电容，但受到安全条件的限制，Y 电容和X 电容的容量都不能用大；对高端干扰信号的滤除，大容量电容的滤波性能又极差，特别是聚脂薄膜电容的高频性能一般都比较差，因为它是用卷绕工艺生产的，并且聚脂薄膜介质高频响应特性与陶瓷或云母相比相差很远，一般聚脂薄膜介质都具有吸附效应，它会降低电容器的工作频率，聚脂薄膜电容工作频率范围大约都在1MHz 左右，超过1MHz 其阻抗将显著增加。 因此，为抑制电子设备产生的传导干扰，除了选用Y 电容和X 电容之外，还要同时选用多个类型的电感滤波器，组合起来一起滤除干扰。电感滤波器多属于低通滤波器，但电感滤波器也有很多规格类型，例如有：差模、共模，以及高频、低频等。每种电感主要都是针对某一小段频率的干扰信号滤除而起作用，对其它频率的干扰信号的滤除效果不大。通常，电感量很大的电感，其线圈匝数较多，那么电感的分布电容也很大。高频干扰信号将通过分布电容旁路掉。而且，导磁率很高的磁芯，其工作频率则较低。目前，大量使用的电感滤波器磁芯的工作频率大多数都在75MHz 以下。对于工作频率要求比较高的场合，必须选用高频环形磁芯，高频环形磁芯导磁率一般都不高，但漏感特别小，比如，非晶合金磁芯，坡莫合金等。