《模电想说爱你不容易》之无源器件篇：电容，隔直通交的艺术

硬小妹：“哎呀！李工，这颗钽电容怎么炸了啊？板子电源正负极我没有接反啊？！”

油条李：“检查下钽电容的极性你是不是焊反了！”

硬小妹：“钽电容丝印的横杠不是负极吗？”

油条李：“呵呵，年轻人，做事不能想当然，万事万物总有特例的嘛！”

    相比电阻，电容给我们的感觉总是有那么一丝丝的神秘，让人捉摸不透，这其中的主要原因还是因为电容具有“隔直通交”的特性，它不像电阻一样具有线性特征，而是具有非线性特征。电容作为电子电路中常用的元器件，它有哪些特点和应用注意事项呢？下面我们一起学习一下吧。

一、电容的类别

    随着电子行业的发展，电容已有多种类型，其根据不同的分类方式可分为不同的类型：

根据电容生产加工材料的不同可分为多层片式陶瓷电容、引线陶瓷电容、铝电解电容、固体电解质钽电容、圆片瓷片电容、厚膜网络电容；根据电容应用场景的不同可分为通用型陶瓷电容、车用电容、高频电容、软端电极电容、微型化电容、排容、低感值电容、工业用电容。

1.陶瓷电容：陶瓷电容具有良好的稳定性、绝缘性、耐高压性的特点，广泛应用于消费类、工业、家电等行业，但其容量一般较小。

2.铝电解电容：铝电解电容器每单位体积有较大的电容值，可达几千uF甚至上万uf;由于电解电容器的静电电容大，使得它们特别适合于通过或绕过低频率的信号，并储存大量的能量。

3.钽电容：钽电容的电介质为金属钽，而不是电解液，因此适合在高温环境中使用，具有寿命长、精度高、滤波效果好的特点，但其价格相比铝电解电容也是高昂的，另外，钽电容的耐压值低、容量小、耐电流冲击性差，在使用时要注意降额使用。

4.导电聚合物电容：导电聚合物电容具有低ESR、低阻抗、大容量的特点，此外，静电容量具有无直流偏置特性，温度特性也十分稳定，在纹波吸收、平滑和瞬态响应方面具有极佳的性能。因此，十分适合用于平滑各种电路的输入输出电流，并可以作为备用装置在CPU周边设备的负载发生变化时使用，这将有助于减少元件数量、减小电路板的空间。

    以上几种类型的电容是我们经常使用的，它们的特性对比表如下图所示：

图源|村田官网

二、电容常见的品牌

    常见的电容品牌厂家主要有以下几种：

1.村田

2.三星

3.TDK

4.国巨

5.风华高科

6.华新科

7.太诱

8.基美

9.AVX

10.楼氏电子

    随着电容技术的进步，多层片式陶瓷电容MLCC成为主流的电容类型，其封装尺寸可以做到0201、01005、008004，以适应电子产品小型化的需求。在一些实际应用当中，MLCC电容以稳定的性能、低廉的价格以及良好的体积逐渐替代了铝电解电容。

三、陶瓷电容的分类

根据国际电工协会EIA RS-198标准，陶瓷电容根据其稳定性可分为三大类：

Class I陶瓷电容：该类陶瓷电容稳定性高、损耗低，具有温度补偿，可用于谐振电路；

Class II陶瓷电容：该类陶瓷电容具有较高的容量，但稳定性较差，没有温度补偿，可用于滤波、旁路、去耦和耦合等电路；

Class III陶瓷电容：该类陶瓷电容具有更高的容量，但稳定性更差，用于电源电路中；

Class IV陶瓷电容：该类陶瓷电容是代表界限不再标准的电容器。

1.陶瓷电容的容值编码

    贴片陶瓷电容的表面是没有丝印字符的，而插件陶瓷电容的表面有丝印字符，该字符指示了电容的容值和精度，其中前三位数字代表了容值，最后一位字母代表了电容的精度，比如丝印字符104K，则表示电容的容量为10x10000pF = 100nF = 0.1uF，精度为10%，具体的精度字母代表的含义如下图所示：

图源|维基百科

2.陶瓷电容的温度系数

    陶瓷电容的温度系数由三个字符组成，不同类别的陶瓷电容字符的含义有所不同，Clas I类的陶瓷电容的前两位字符表示电容的容值温漂大小，单位为ppm/℃，最后一位字母表示容值误差大小，此数据是在25~85摄氏度的条件下测到的，如下表所示：

图源|维基百科

比如，陶瓷电容温度系数标识为C0G，则表示其温漂为0x（-1）= 0 ppm/℃，误差为正负30ppm/℃；标识P3K，则表示其温漂为1.5 x（-1000）=-1500ppm/℃，误差为正负250ppm/℃。

Class II类陶瓷电容和Class III类陶瓷电容的温度系数标识的第一位表示工作温度的下限，第二位表示工作温度的上限，第三位表示容值精度，如下表所示：

图源|维基百科

比如，陶瓷电容温度系数标识为X5R，则表示其工作温度为-55~+85摄氏度，容差为正负15%；标识Y5V，则表示其工作温度为-30~+85摄氏度，容差为+22~-82%。

四、陶瓷电容的特性

    电容的参数是随着电压和频率的变化而变化的，因此电容的参数都是在一定条件下测定的，下图是三星公司的MLCC电容参数测试条件：

图源|三星官网

    在实际电路应用当中，我们除了关注陶瓷电容的容值大小、封装尺寸之外，还需要关注陶瓷电容的其他相关参数，下面就以三星公司的Class II类陶瓷电容型号CL21B104KBCNFN为例一起学习一下吧，该型号的具体参数为100nF，0805封装，X7R，额定电压50V。

1.耐压值。陶瓷电容的最高耐压值与其封装大小有直接的关系，其封装尺寸越大最高耐压值也就越高，比如，1206封装尺寸的陶瓷电容的耐压值可达2000V；陶瓷电容常用的耐压值有16V、25V、50V等等，另外，相同封装尺寸的陶瓷电容也会有不同的耐压值可供选择。

2.损耗角正切（DF）。该参数表征的是电容能量损耗的大小，其计算公式为DF = 电容损耗能量/电容存储能量，DF的值越小，代表电容越稳定，越接近理想的电容。

3.品质因子（Q）。在高频电路中，由于频率较高，电容的DF值较小，因此采用品质因子来表征电容的高频特性，即Q = 1/DF。

4.绝缘电阻（IR）。电容的绝缘电阻值受环境因素影响较大，特别是潮湿环境会极大影响其绝缘电阻的大小，因此应注意产品的防潮处理。

5.直流电压特性。Class I类陶瓷电容是比较稳定的，其容值不会随着直流电压的变化而变化；而Class II、III类陶瓷电容的容值则会随着直流电压的变化而变化，直流电压越接近电容的额定工作电压其容值变化越大，因此在实际应用当中，我们要降额使用，一般不宜超过电容额定电压的一半，电容CL21B104KBCNFN的直流电压特性如下图所示：

图源|三星官网

6.交流电压特性。Class I类陶瓷电容是比较稳定的，其容值基本不会随着施加的交流电压的变化而变化；而Class II、III类陶瓷电容的容值则会随着施加的交流电压的变化而变化，电容CL21B104KBCNFN的交流电压特性如下图所示：

图源|三星官网

7.等效电感。在高频信号下，电容会表现出一定的电感特性，且电感量较小，一般为nH级别，电容CL21B104KBCNFN的等效电感特性如下图所示，当信号频率为25Mhz左右时，等效电感量约为0.45nH。

图源|三星官网

8.等效阻抗和等效串联电阻。由于电容存在等效电感和等效串联电阻，因此每个电容都会有一个谐振频率点，电容值越大，其谐振频率越小；电容值越小，其谐振频率越大。电容CL21B104KBCNFN为100nF的电容，其谐振频率点大约为25.7Mhz，此时电容的等效阻抗是最小的，大约为28.5mΩ，对该谐振频率点附近的信号通过性是最佳的，这也就是电容滤波的基本原理。电容CL21B104KBCNFN的等效阻抗（红线）和等效串联电阻（蓝线）如下图所示：

图源|三星官网

9.温升。电容的温升大小与信号的频率和纹波电流是有关系的，频率越低、纹波电流越大其温升也就也大，电容CL21B104KBCNFN的温升特性曲线如下图所示，其中红线是信号频率100Khz，蓝线是信号频率500Khz，黄线是信号频率1000Khz。

图源|三星官网

五、电容的应用及注意事项

    电容的种类多种多样，不同类型的电容其作用也会有所差异，常见的电容应用场景主要有以下几种：

1.储能。由于电解电容的能够存储的能量较大，故可以用来作为系统掉电后的备用电源，以保证系统存储数据的完整性。

2.滤波。不同容值的电容对不同频率信号的阻抗不同，通过选择合适容值的电容可以将干扰信号、噪声信号等过滤掉，以使电源更稳定、信号更平滑。

3.耦合。利用电容隔直通交的特性，能够有效滤除信号的直流分量而保留交流分量，使信号传递到下一级电路。

4.调谐。通过LC谐振电路能够产生一定频率的波形，而改变电容值的大小则可以改变谐振频率的大小，以实现到我们需要的信号频率。

5.延时。电容的充放电是具有一定时间的，容量越大其充放电时间也就越长，根据此原理可以实现简单的电路延时功能。

6.失效分析。电容的失效主要包括开路、短路以及参数漂移三种类型，其中短路是我们常见的失效现象，特别是在电源电路应用当中，电容短路是非常危险的，极易引起发热起火的事故，因此要做好电路板的防护以及电容参数的降额使用。

7.啸叫分析。在MLCC电容应用当中有时会出现电容啸叫的现象，这种现象被称为“电致伸缩”现象，此现象是由于MLCC电容的强介电陶瓷材料在电压的作用下发生了机械变形，此形变是非常微小的，一般为1pm~1nm，该形变传递到了电路板上导致基板振动，如果此振动频率刚好在人耳的可听范围之内就能够被我们听到，就好像电容在啸叫一样。解决的办法之一是更换低介电常数材料的电容，因为电容的介电常数越低，“电致伸缩”效应也就越小。

    阻容器件作为电子电路的基础元器件，串联起了电路板的方方面面，进而形成了庞大的电子世界；而电容就像一位神奇的魔法师，改变着信号的相位、波形、频率，去除杂波，留取精华，把信号的使者送往远方，使其开花结果！