电子元器件基础2---电容

两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量的基本单位是法拉(F)。在电路图中通常用字母C表示电容元件。由于电容在集成电路中难以集成，所以在芯片的周围，我们总能看到有大量的电容，如图1所示。在这些高集成度的电路板上，电容的数量甚至远大于电阻的数量。

图1 集成电路周围的电容

电容和电阻相比，有两个特点。
第一个特点就是精度远不及电阻。电容甚至有 +80%～-20%精度的，这在电阻里面是不可想象的。

第二个特点是电容的主要额定参数是耐压，而电阻的主要额定参数是功率。

电容按照其封装形式，可分为直插电容和贴片电容，直插电容又分为电解电容和瓷片电容。贴片电容则有贴片铝电解电容，钽电容，以及陶瓷电容等等。而依据实际购买电容常用的种类，我们将分别介绍以下电容及其特性：
MLCC电容、瓷片电容、薄膜电容、安规电容、电解电容、超级电容

1、MLCC电容
图1右图所示的大量小型贴片电容就是MLCC电容，全称是Multi-layer Ceramic Capacitors片式多层陶瓷电容器，它的内部结构如图1.1所示。所有电容的基本构造都是金属板级之间间隔电介质（绝缘体），陶瓷就是良好的电介质，MLCC的多层结构可以增大电容值，在非常小的体积可以做到数十μF甚至100μF电容量，等效串联电阻ESR较小，因此纹波电流引起的发热也小。

图1.1 MLCC片式多层陶瓷电容器结构图

MLCC贴片电容的尺寸与贴片电阻类似，也有0201/0402/0603/0805/1206等尺寸，当然贴片电容要比贴片电阻厚一些。针插型的MLCC多称独石电容，如图1.2左所示，如果我们将黄色外壳切开，可以发现里面其实就是MLCC贴片电容焊上引脚。

图1.2 独石电容外形

MLCC选型的有一个重要指标，那就是介质材料不同导致的不同温度特性。按温度稳定性可以分为两类，即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器， NP0/C0G属于Ⅰ类陶瓷，而其他的X7R、X5R、Y5V、Z5U等都属于Ⅱ类陶瓷。

Ⅰ类陶瓷的温度容量特性（TCC）非常小，在ppm/℃量级，适用于要求损耗小和电容量稳定的电路。

II类陶瓷电容的命名方法如表1.1所示，三个字符分别表示使用的温度下限、温度上限和电容变化率。X7R即代表-55℃~+125℃，±15%的陶瓷电容。

表1.1 II类陶瓷电容命名方法

随着陶瓷电介质层的薄层化和积层技术的进步，单个电容的容量已可做到100μF（如图1.3所示为TDK公司C5750X5R1A107MT000E电容），但MLCC电容整体上额定电压比较低。0603和0805封装，100nF以下容量的MLCC电容耐压多在50V，可以满足一般信号级电路的使用。而体积缩小或是容量增大的MLCC耐压将明显低于50V，这时必须查清电容的耐压值才能使用。

图1.3 TDK公司的单体100μF/10V X5R MLCC电容（标尺1mm）

2、瓷片电容
瓷片电容和MLCC电容都是陶瓷电容，区别是MLCC由多层电介质和多对电极构成的，瓷片电容一般是由一层电介质和一对电极构成的。
瓷片电容高频特性好，比MLCC便宜，容量小于MLCC，一般最大0.1μF，耐压高。如图2.1所示为低压瓷片电容的一些外观和颜色，这些未标注的瓷片电容一般耐压为50V。

图2.1 低压瓷片电容

瓷片电容相比MLCC电容容量小而耐压高的原因很简单，瓷片电容只有一层电介质和一对电极，所以不如多层结构的MLCC容量大。但是多层电介质带来的副作用就是电介质薄，所以耐压不高。高压瓷片电容的外观如图2.2所示，多为蓝色，也有黄褐色，耐压值一般都在电容上直接标注，从数百伏到万伏都有。

图2.2 高压瓷片电容

什么时候选择使用瓷片电容而不使用MLCC电容呢？
1、低电容值，针插电容场合。此时使用瓷片电容，不仅性能更好，而且便宜。
2、低电容值，高压场合。常规电容中，只有瓷片电容才能做到高压，但是瓷片电容的结构也决定了它电容值难以做大。

3、薄膜电容
前面我们介绍了两种瓷片电容，MLCC电容值可以做到比较大（最大100μF），但是耐压低（最大50V）；瓷片电容耐压可以很高，但是电容值小（最大0.1μF）。如果遇到耐压数百伏，电容值大于0.1uF的非极性电容应用场合，显然瓷片电容就不再合适，这时需要使用薄膜电容。
常规的薄膜电容，一般可分为金属化聚丙烯薄膜（ CBB电容）和金属化聚酯薄膜（ CL电容&涤纶电容）。

如图3.1所示，CBB电容工作频率高，性能更好，通常外观是肥厚的红色，耐压值直接标注。精度则依靠字母表示，电容F ±1% G ±2% J ±5% K ±10% M ±20% N ±30%。电容值有直接标注例如100n，也有155代表15*10^5 pF=1.5 μF。

图3.1 CBB薄膜电容外观

如图3.2所示，CL涤纶电容外观上比较薄，大部分做成绿颜色，电容值和精度标注方法与CBB电容一致。涤纶电容耐压值间接标注：第一位数字表示数量级，第二位字母表示数值，A:1.0 B:1.25 C:1.6 D:2.0 E:2.5 F:3.15 G:4.0 H:5.0 J:6.3 K:8.0 Z:9.0。对于标注为2A的涤纶电容，其耐压为1.0*10^2=200V。

图3.2 涤纶薄膜电容外观

4、安规电容
安规电容之所以称之为安规，是因为可以耐受非常高的脉冲电压，且击穿损坏后为断态，不危及人身安全。安规电容包含X电容和Y电容两种。
X安规电容是跨接在电力线两线（L-N）之间的差模滤波电容，容量μF级。

X安规电容属于金属化薄膜电容的一种，但是外观和普通CBB电容有很大区别。如图4.1所示，X安规电容外观多数是方形，颜色多为明亮的黄色，也有黑色等其他颜色。

辨别安规电容最明显的标志就是电容上印着X1或X2或X3（以X2最为常用），此外还标注有安规认证标志（中国CQC、美国UL/加拿大CUL、德国VDE、欧盟ENEC等），交流耐压值（AC310或AC275）等信息。

图4.1 X安规电容的外观

Y安规电容分别跨接在电力线两线和地之间（L-E，N-E）的共模滤波电容，成对出现，为防止触电，容量较小在nF级。Y安规电容属于高压瓷片电容的一种，如图4.2所示，外观与普通瓷片电容相近，区分方法主要是电容上的各种安规标注。

4.2 Y安规电容的外观

虽然安规电容上标注的交流耐压值只有几百伏，但是绝不能用普通几百伏耐压的CBB或瓷片电容代替安规电容。参考表4.1，安规电容上所带的X1/X2/X3，Y1/Y2/Y3/Y4表征了其允许的峰值脉冲过电压等级。

表4.1安规电容耐脉冲峰值电压值

5、电解电容
前面我们介绍的各种电容都是无极性电容，可以用于交流或直流场合。但是无极性电容的由于构造的原因，容量较小。
电解电容是电容的一种，金属箔为正极（铝或钽），与正极紧贴金属的氧化膜（氧化铝或五氧化二钽）是电介质，阴极由导电材料、电解质（电解质可以是液体或固体）和其他材料共同组成，因电解质是阴极的主要部分，电解电容因此而得名。电解电容属于极性电容，正负极接错会爆裂（铝电解电容）或烧毁（钽电解电容），大容量的电解电容使用后还要注意（人工）泄放电荷。

5.1钽电解电容
钽电容是高性能的电解电容，体积小容量大（低压可达1000μF），ESR小，性能优于铝电解电容。钽电容也是极性电容，使用时要特别注意钽电容正负极标识，参考图5.1。

针插型钽电容外观像一粒圆黄豆，与一般常识相同，长腿为正极。电容上直接标注了容量和耐压，图5.1左所示的钽电容容量33*10^6 pF=33 μF，耐压值6.3V。

贴片型钽电容外观为长方体，根据生产商不同有黄色和黑色两种。与一般常识相反，贴片钽电容有横线的一端为正极！千万不要搞错。

图5.1 钽电容外形
钽电容属于低压电容，耐压等级由字母表示，从2.5V至50V不等，如表5.1所示。

表5.1 钽电容的耐压等级

钽电容的封装尺寸如表5.2所示。

表5.2 钽电容的封装尺寸

钽电容的精度:K±10% M±20%。

5.2 铝电解电容
铝电解电容，最主要的优点就是容量大（数万μF），价格便宜。虽然ESR等指标不如钽电容，但是铝电解电容耐压有高达600V的型号，是钽电容最高50V的耐压不可比拟的。

如图5.2所示，铝电解电容的极性符合常规，无论是针插还是贴片都是有横线的为负极。普通铝电解电容，非常小容量无防爆槽，中大容量均有防爆槽，如图5.2左所示的针插电解电容顶端有十字防爆槽，右图所示的贴片型电解电容顶端有K字防爆槽。

图5.2 普通铝电解电容外观

普通铝电解电容内部有电解液，各种原因损坏时会发生爆浆，如图5.3所示。为了减小暴裂时的危害，所以特意预留有防爆槽。

图5.3 铝电解电容爆浆损坏图

在开篇图1左图电路板上的电容叫固态（铝电解）电容，由于没有电解液，性能更加稳定，没有爆浆的风险。如图5.4所示，固态电容没有防爆槽。贴片普通铝电解电容和固态电容的外观较为接近，中大容量可以通过防爆槽区分。

图5.4 固态（铝电解）电容外观

选型铝电解电容的另一个指标就是额定工作温度，在电路板中，电解电容是最容易失效的元件。而工作温度是决定铝电解电容寿命的主要因素，一般认为工作温度每升高10℃，寿命缩短一半。如图5.5所示为最常见的两种额定工作温度，105℃和85℃。

图5.5 105℃电解电容和85℃电解电容

最后总结一下，电解电容如何选型。
（1）不考虑价格，在钽电容的容量值和耐压允许的情况下，肯定是钽电容最好。在有的芯片说明书中，会指明该处可使用1μF钽电容或者10μF铝电解电容。这是因为钽电容的等效串联电阻ESR远小于铝电解电容，所以同容量两者滤波效果可能差10倍。

（2）固态电容比钽电容便宜，比普通铝电解电容贵，效果也介于两者之间。使用固态电容主要因为它的稳定不爆浆，适用于可靠性要求高的产品。同样，使用固态电容也需要容量和电压允许，没有太大容量和太高电压的固态电容。
（3）在考虑成本或者是容量和电压高的情况下，普通铝电解电容还是无可替代的选择。
6、超级电容
我们知道电容的基本单位F是一个非常大的单位，我们之前提到的各种电容，大容量的电解电容也是用微法（μF）为单位的。超级电容的电容值从数F到数千F，因此也叫法拉电容，如图6.1所示。