全面分析電容知識(shí)-電容的作用-電容單位-電容公式及檢測(cè)

電容的簡(jiǎn)介

電容器所帶電量Q與電容器兩極間的電壓U的比值，叫電容器的電容。在電路學(xué)里，給定電勢(shì)差，電容器儲(chǔ)存電荷的能力，稱為電容（capacitance），標(biāo)記為C。采用國(guó)際單位制，電容的單位是法拉（farad），標(biāo)記為F。

電容的符號(hào)是C。

C=εS/d=εS/4πkd（真空）=Q/U

電容單位及轉(zhuǎn)換

在國(guó)際單位制里，電容的單位是法拉，簡(jiǎn)稱法，符號(hào)是F，由于法拉這個(gè)單位太大，所以常用的電容單位有毫法（mF）、微法（μF）、納法（nF）和皮法（pF）等，換算關(guān)系是：

1法拉（F）=1000毫法（mF）=1000000微法（μF）

1微法（μF）= 1000納法（nF）= 1000000皮法（pF）。

電容與電池容量的關(guān)系：

1伏安時(shí)=1瓦時(shí)=3600焦耳

W=0.5CUU

電容的作用

作為無(wú)源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：

（一）應(yīng)用于電源電路，實(shí)現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲(chǔ)能的作用。下面分類詳述之：

（1）旁路

旁路電容是為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時(shí)的電壓降。

（2）去藕

去藕，又稱解藕。從電路來(lái)說(shuō)，總是可以區(qū)分為驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大，驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電，才能完成信號(hào)的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候，電流比較大，這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會(huì)產(chǎn)生反彈），這種電流相對(duì)于正常情況來(lái)說(shuō)實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì)影響前級(jí)的正常工作，這就是所謂的“耦合”。

去藕電容就是起到一個(gè)“電池”的作用，滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來(lái)將更容易理解。

旁路電容實(shí)際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般取 0.1μF、0.01μF 等；而去耦合電容的容量一般較大，可能是 10μF 或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象，而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。

（3）濾波

從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說(shuō)，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實(shí)際上超過 1μF 的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻 率高后反而阻抗會(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過，電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中，大電容（1000μF）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。

曾有網(wǎng)友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會(huì)突變，由此可知，信號(hào)頻率越高則衰減越大，可很形象的說(shuō)電容像個(gè)水塘，不會(huì)因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電，放電的過程。

（4）儲(chǔ)能

儲(chǔ)能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲(chǔ)的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為 40～450VDC、電容值在 220～150 000μF 之間的鋁電解電容器是較為常用的。根不同的電源要求，器件有時(shí)會(huì)采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式，對(duì)于功率級(jí)超過 10KW 的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

（二）應(yīng)用于信號(hào)電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數(shù)的作用

1）耦合

舉個(gè)例子來(lái)講，晶體管放大器發(fā)射極有一個(gè)自給偏壓電阻，它同時(shí)又使信號(hào) 產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號(hào)耦合，這個(gè)電阻就是產(chǎn)生了耦合的元件，如果在這個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容，由于適當(dāng)容量的電容器對(duì)交流信號(hào) 較小的阻抗，這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，故稱此電容為去耦電容。

2）振蕩/同步

包括 RC、LC 振蕩器及晶體的負(fù)載電容都屬于這一范疇。

3）時(shí)間常數(shù)

這就是常見的 R、C 串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號(hào)電壓加在輸入端時(shí)，電容（C）上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻（R）、電容（C）的特性通過下面的公式描述：

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

電容的選擇

通常，應(yīng)該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢？筆者認(rèn)為，應(yīng)基于以下幾點(diǎn)考慮：

1）靜電容量；

2）額定耐壓；

3）容值誤差；

4）直流偏壓下的電容變化量；

5）噪聲等級(jí)；

6）電容的類型；

7）電容的規(guī)格。

那么，是否有捷徑可尋呢？其實(shí)，電容作為器件的外圍元件，幾乎每個(gè)器件的 Datasheet 或者 Solutions，都比較明確地指明了外圍元件的選擇參數(shù)，也就是說(shuō)，據(jù)此可以獲得基本的器件選擇要求，然后再進(jìn)一步完善細(xì)化之。

其實(shí)選用電容時(shí)不僅僅是只看容量和封裝，具體要看產(chǎn)品所使用環(huán)境，特殊的電路必須用特殊的電容。

下面是chip capacitor根據(jù)電介質(zhì)的介電常數(shù)分類，介電常數(shù)直接影響電路的穩(wěn)定性。

NP0 or CH （K<150）：電氣性能最穩(wěn)定，基本上不隨溫度﹑電壓與時(shí)間的改變而改變，適用于對(duì)穩(wěn)定性要求高的高頻電路。鑒于 K 值較小，所以在 0402、0603、0805 封裝下很難有大容量的電容。如 0603 一般最大的10nF以下。

X7R or YB （2000

Y5V or YF（K > 15000）：容量穩(wěn)定性較 X7R 差（?C < +20% ～ -8 0%），容量損耗對(duì)溫度、電壓等測(cè)試條件較敏感，但由于其 K 值較大，所以適用于一些容值要求較高的場(chǎng)合。

電容的分類

電容的分類方式及種類很多，基于電容的材料特性，其可分為以下幾大類：

1）鋁電解電容

電容容量范圍為0.1μF～22000μF，高脈動(dòng)電流、長(zhǎng)壽命、大容量的不二之選，廣泛應(yīng)用于電源濾波、解藕等場(chǎng)合。

2）薄膜電容

電容容量范圍為0.1pF～10μF，具有較小公差、較高容量穩(wěn)定性及極低的壓電效應(yīng)，因此是 X、Y 安全電容、EMI/EMC 的首選。

3）鉭電容

電容容量范圍為2.2μF～560μF，低等效串聯(lián)電阻（ESR）、低等效串聯(lián)電感（ESL）。脈動(dòng)吸收、瞬態(tài)響應(yīng)及噪聲抑制都優(yōu)于鋁電解電容，是高穩(wěn)定電源的理想選擇。

4）陶瓷電容

電容容量范圍為0.5pF～100μF，獨(dú)特的材料和薄膜技術(shù)的結(jié)晶，迎合了當(dāng)今“更輕、更薄、更節(jié)能“的設(shè)計(jì)理念。

5）超級(jí)電容

電容容量范圍為0.022F～70F，極高的容值，因此又稱做“金電容”或者“法拉電容”。主要特點(diǎn)是：超高容值、良好的充/放電特性，適合于電能存儲(chǔ)和電源備份。缺點(diǎn)是耐壓較低，工作溫度范圍較窄。

多層陶瓷電容

對(duì)于電容而言，小型化和高容量是永恒不變的發(fā)展趨勢(shì)。其中，要數(shù)多層陶瓷電容（MLCC）的發(fā)展最快。

多層陶瓷電容在便攜產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用極為廣泛，但近年來(lái)數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步對(duì)其提出了新要求。例如，手機(jī)要求更高的傳輸速率和更高的性能；基帶處理 器要求高速度、低電壓；LCD 模塊要求低厚度（0.5mm）、大容量電容。而汽車環(huán)境的苛刻性對(duì)多層陶瓷電容更有特殊的要求：首先是耐高溫，放置于其中的多層陶瓷電容必須能滿足 150℃ 的工作溫度；其次是在電池電路上需要短路失 效保護(hù)設(shè)計(jì)。

也就是說(shuō)，小型化、高速度和高性能、耐高溫條件、高可靠性已成為陶瓷電容的關(guān)鍵特性。

陶瓷電容的容量隨直流偏置電壓的變化而變化。直流偏置電壓降低了介電常數(shù)，因此需要從材料方面，降低介電常數(shù)對(duì)電壓的依賴，優(yōu)化直流偏置電壓特性。

應(yīng)用中較為常見的是 X7R（X5R）類多層陶瓷電容， 它的容量主要集中在1000pF以上，該類電容器主要性能指標(biāo)是等效串聯(lián)電阻（ESR），在高波紋電流的電源去耦、濾波及低頻信號(hào)耦合電路的低功耗表現(xiàn)比較突出。

另一類多層陶瓷電容是C0G類，它的容量多在 1000pF 以下，該類電容器主要性能指標(biāo)是損耗角正切值 tgδ(DF)。傳統(tǒng)的貴金屬電極（NME）的 C0G 產(chǎn)品 DF 值范圍是（2.0 ～ 8.0）× 10-4，而技術(shù)創(chuàng)新型賤金屬電極（BME）的C0G產(chǎn)品DF值范圍為 (1.0 ～ 2.5)×10-4，約是前者的31～50%。該類產(chǎn)品在載有T/R模塊電路的GSM、CDMA、無(wú)繩電話、藍(lán)牙、GPS系統(tǒng)中低功耗特性較為顯著。較多用于各種高頻電路，如振蕩/同步器、定時(shí)器電路等。

旁路電容的應(yīng)用問題

嵌入式設(shè)計(jì)中，要求 MCU 從耗電量很大的處理密集型工作模式進(jìn)入耗電量很少的空閑/休眠模式。這些轉(zhuǎn)換很容易引起線路損耗的急劇增加，增加的速率很高，達(dá)到 20A/ms 甚至更快。

通常采用旁路電容來(lái)解決穩(wěn)壓器無(wú)法適應(yīng)系統(tǒng)中高速器件引起的負(fù)載變化，以確保電源輸出的穩(wěn)定性及良好的瞬態(tài)響應(yīng)。旁路電容是為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時(shí)的電壓降。

應(yīng)該明白，大容量和小容量的旁路電容都可能是必需的，有的甚至是多個(gè)陶瓷電容和鉭電容。這樣的組合能夠解決上述負(fù)載電流或許為階梯變化所帶來(lái)的問題，而且還能提供足夠的去耦以抑制電壓和電流毛刺。在負(fù)載變化非常劇烈的情況下，則需要三個(gè)或更多不同容量的電容，以保證在穩(wěn)壓器穩(wěn)壓前提供足夠的電流?？焖俚乃矐B(tài)過程由高頻小容量電容來(lái)抑制，中速的瞬態(tài)過程由低頻大容量來(lái)抑制，剩下則交給穩(wěn)壓器完成了。

還應(yīng)記住一點(diǎn)，穩(wěn)壓器也要求電容盡量靠近電壓輸出端。

電容的等效串聯(lián)電阻 ESR

普遍的觀點(diǎn)是：一個(gè)等效串聯(lián)電阻（ESR）很小的相對(duì)較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時(shí)的峰值（紋波）電流。但是，有時(shí)這樣的選擇容易引起穩(wěn)壓器（特別是線性穩(wěn)壓器 LDO）的不穩(wěn)定，所以必須合理選擇小容量和大容量電容的容值。永遠(yuǎn)記住，穩(wěn)壓器就是一個(gè)放大器，放大器可能出現(xiàn)的各種情況 它都會(huì)出現(xiàn)。

由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，輸出去耦電容在負(fù)載階躍的初始階段起主導(dǎo)的作用，因此需要額外大容量的電容來(lái)減緩相對(duì)于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的快速轉(zhuǎn)換，同時(shí)用高頻電容減緩相對(duì)于大電容的快速變換。通常，大容量電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)該選擇為合適的值，以便使輸出電壓的峰值和毛刺在器件的 Dasheet 規(guī)定之內(nèi)。

高頻轉(zhuǎn)換中，小容量電容在 0.01μF 到 0.1μF 量級(jí)就能很好滿足要求。表貼陶瓷電容或者多層陶瓷電容（MLCC）具有更小的 ESR。另外，在這些容值下，它們的體積和 BOM 成本都比較合理。如果局部低頻去耦不充分，則從低頻向高頻轉(zhuǎn)換時(shí)將引起輸入電壓降低。電壓下降過程可能持續(xù)數(shù)毫秒，時(shí)間長(zhǎng)短主要取決于穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)增益和提供較大負(fù)載電流的時(shí)間。

用 ESR 大的電容并聯(lián)比用 ESR 恰好那么低的單個(gè)電容當(dāng)然更具成本效益。然而，這需要你在 PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。

電解電容的電參數(shù)

這里的電解電容器主要指鋁電解電容器，其基本的電參數(shù)包括下列五點(diǎn)：

1）電容值

電解電容器的容值，取決于在交流電壓下工作時(shí)所呈現(xiàn)的阻抗。因此容值，也就是交流電容值，隨著工作頻率、電壓以及測(cè)量方法的變化而變化。在標(biāo)準(zhǔn) JISC 5102 規(guī)定：鋁電解電容的電容量的測(cè)量條件是在頻率為 120Hz，最大交流電壓為 0.5Vrms，DC bias 電壓為 1.5 ～ 2.0V 的條件下進(jìn)行?？梢詳嘌?，鋁電解電容器的容量隨頻率的增加而減小。

2）損耗角正切值 Tan δ

在電容器的等效電路中，串聯(lián)等效電阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比稱之為 Tan δ， 這里的 ESR 是在 120Hz 下計(jì)算獲得的值。顯然，Tan δ 隨著測(cè)量頻率的增加而變大，隨測(cè)量溫度的下降而增大。

3）阻抗Z

在特定的頻率下，阻礙交流電流通過的電阻即為所謂的阻抗（Z）。它與電容等效電路中的電容值、電感值密切相關(guān)，且與ESR也有關(guān)系。

電容的容抗（XC）在低頻率范圍內(nèi)隨著頻率的增加逐步減小，頻率繼續(xù)增加達(dá)到中頻范圍時(shí)電抗（XL）降至 ESR 的值。當(dāng)頻率達(dá)到高頻范圍時(shí)感抗（XL）變?yōu)橹鲗?dǎo)，所以阻抗是隨著頻率的增加而增加。

4）漏電流

電容器的介質(zhì)對(duì)直流電流具有很大的阻礙作用。然而，由于鋁氧化膜介質(zhì)上浸有電解液，在施加電壓時(shí)，重新形成的以及修復(fù)氧化膜的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一種很小的稱之為漏電流的電流。通常，漏電流會(huì)隨著溫度和電壓的升高而增大。

電容公式

一個(gè)電容器，如果帶1庫(kù)的電量時(shí)兩級(jí)間的電勢(shì)差是1伏，這個(gè)電容器的電容就是1法拉，即：C=Q/U 。但電容的大小不是由Q（帶電量）或U（電壓）決定的，即電容的決定式為：C=εS/4πkd 。其中，ε是一個(gè)常數(shù)，S為電容極板的正對(duì)面積，d為電容極板的距離，k則是靜電力常量。常見的平行板電容器，電容為C=εS/d（ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為極板面積，d為極板間的距離）。

電容器的電勢(shì)能計(jì)算公式：E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C

多電容器并聯(lián)計(jì)算公式：C=C1+C2+C3+…+Cn

多電容器串聯(lián)計(jì)算公式：1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn

三電容器串聯(lián)：C=（C1*C2*C3）/（C1*C2+C2*C3+C1*C3）

（1）容量（法拉）

英制：C=(0.224×K·A)/ TD

公制：C=(0.0884×K·A)/ TD

（2）電容器中存儲(chǔ)的能量

1/2CV2

（3）電容器的線性充電量

I=C(dV/dt)

（4）電容的總阻抗（歐姆）

Z=√[RS2+(XC–XL)2]

（5）容性電抗（歐姆）

XC=1/(2πfC)

（6）相位角Ф

理想電容器：超前當(dāng)前電壓 90o

理想電感器：滯后當(dāng)前電壓 90o

理想電阻器：與當(dāng)前電壓的相位相同

（7）耗散系數(shù)(%)

D.F.=tanδ（損耗角）

=ESR/XC

=(2πfC)(ESR)

（8）品質(zhì)因素

Q=cotan δ=1/DF

（9）等效串聯(lián)電阻 ESR（歐姆）

ESR=(DF) XC=DF/2πfC

（10）功率消耗

Power Loss=(2πfCV2 ) (DF)

萬(wàn)用表檢測(cè)電容

用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)電容器，可按以下方法進(jìn)行。

一、用電容檔直接檢測(cè)

某些數(shù)字萬(wàn)用表具有測(cè)量電容的功能，其量程分為2000p、20n、200n、2μ和20μ五檔。測(cè)量時(shí)可將已放電的電容兩引腳直接插入表板上的Cx插孔，選取適當(dāng)?shù)牧砍毯缶涂勺x取顯示數(shù)據(jù)。

2000p檔，宜于測(cè)量小于2000pF的電容；20n檔，宜于測(cè)量2000pF至20nF之間的電容；200n檔，宜于測(cè)量20nF至200nF之間的電容；2μ檔，宜于測(cè)量200nF至2μF之間的電容；20μ檔，宜于測(cè)量2μF至20μF之間的電容。

經(jīng)驗(yàn)證明，有些型號(hào)的數(shù)字萬(wàn)用表（例如DT890B+）在測(cè)量50pF以下的小容量電容器時(shí)誤差較大，測(cè)量20pF以下電容幾乎沒有參考價(jià)值。此時(shí)可采用串聯(lián)法測(cè)量小值電容。方法是：先找一只220pF左右的電容，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)出其實(shí)際容量C1,然后把待測(cè)小電容與之并聯(lián)測(cè)出其總?cè)萘緾2，則兩者之差（C1－C2）即是待測(cè)小電容的容量。用此法測(cè)量1～20pF的小容量電容很準(zhǔn)確。

二、用電阻檔檢測(cè)

實(shí)踐證明，利用數(shù)字萬(wàn)用表也可觀察電容器的充電過程，這實(shí)際上是以離散的數(shù)字量反映充電電壓的變化情況。設(shè)數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量速率為n次/秒，則在觀察電容器的充電過程中，每秒鐘即可看到n個(gè)彼此獨(dú)立且依次增大的讀數(shù)。根據(jù)數(shù)字萬(wàn)用表的這一顯示特點(diǎn)，可以檢測(cè)電容器的好壞和估測(cè)電容量的大小。下面介紹的是使用數(shù)字萬(wàn)用表電阻檔檢測(cè)電容器的方法，對(duì)于未設(shè)置電容檔的儀表很有實(shí)用價(jià)值。此方法適用于測(cè)量0.1μF～幾千微法的大容量電容器。

三、用電壓檔檢測(cè)

用數(shù)字萬(wàn)用表直流電壓檔檢測(cè)電容器，實(shí)際上是一種間接測(cè)量法，此法可測(cè)量220pF～1μF的小容量電容器，并且能精確測(cè)出電容器漏電流的大小。

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