2022 04月14日
作者: 沧海一笑
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认识电容

 

 本文内容从相关资料整理而来。
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: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
可充电电池一样,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。

2、去藕
    从电路来说,是可以区分为驱动源和被驱动的负载。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。
    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提高一条低
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 0.1uF、0.01uF 等;而去耦合电容的容
量一般较大,可能是 10uF 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
    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10uF
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。电容越大低频越容易通过,电容越小高频越容易通过。具体用在滤波中,大电容(1000uF)滤低频
,小电容(20pF)滤高频。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,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 000uF 之间的铝电解电容器是较为常用的。根不同的电源要求,
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。

二、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)

三、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?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
    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。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(贴片电容) 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。

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,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,此类电容应用最广泛。

Y5V or YF(K > 15000):
容量稳定性较 X7R 差(?C < +20% ~ -8 0%),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。

四、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 10uF ~ 22000uF,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 ~ 10uF,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 2.2uF ~ 560uF,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 ~ 100pf,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。

五、多层陶瓷电容
    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。
    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。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 的带通滤波器)的话,要注意容量变化后对滤波器性能的影响。

六、旁路电容的应用问题
    嵌入式系统设计中,要求 MCU 从耗电量很大的处理密集型工作模式进入耗电量很少的空闲/休眠模式
。这些转换很容易引起线路损耗的急剧增加,增加的速率很高,达到 20A/ms 甚至更快。通常采用旁路电
容来解决稳压器无法适应系统中高速器件引起的负载变化,以确保电源输出的稳定性及良好的瞬态响应。
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
电电池一样,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。应该明白,大容量
和小容量的旁路电容都可能是必需的,有的甚至是多个陶瓷电容和钽电容。这样的组合能够解决上述负载
电流或许为阶梯变化所带来的问题,而且还能提供足够的去耦以抑制电压和电流毛刺。在负载变化非常剧
烈的情况下,则需要三个或更多不同容量的电容,以保证在稳压器稳压前提供足够的电流。快速的瞬态过
程由高频小容量电容来抑制,中速的瞬态过程由低频大容量来抑制,剩下则交给稳压器完成了,稳压器也
要求电容尽量靠近电压输出端。

七、电容的等效串联电阻 ESR
    普遍的观点是:一个等效串联电阻(ESR)很小的相对较大容量的外部电容能很好地吸收快速转换时
的峰值(纹波)电流。但是,有时这样的选择容易引起稳压器(特别是线性稳压器 LDO)的不稳定,所以
必须合理选择小容量和大容量电容的容值。永远记住,稳压器就是一个放大器,放大器可能出现的各种情
况它都会出现。由于 DC/DC 转换器的响应速度相对较慢,输出去耦电容在负载阶跃的初始阶段起主导的
作用,因此需要额外大容量的电容来减缓相对于 DC/DC 转换器的快速转换,同时用高频电容减缓相对于
大电容的快速变换。
    通常,大容量电容的等效串联电阻应该选择为合适的值,以便使输出电压的峰值和毛刺在器件的数据
手册规定之内。高频转换中,小容量电容在 0.01uF 到 0.1uF 量级就能很好满足要求。表贴陶瓷电容或
者多层陶瓷电容(MLCC)具有更小的 ESR。另外,在这些容值下,它们的体积和 BOM 成本都比较合理。
如果局部低频去耦不充分,则从低频向高频转换时将引起输入电压降低。电压下降过程可能持续数毫秒,
时间长短主要取决于稳压器调节增益和提供较大负载电流的时间。用 ESR 大的电容并联比用 ESR 恰好
那么低的单个电容当然更具成本效益。这需要在PCB 面积、器件数目与成本之间寻求折衷。



  

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