史上最全的电容应用与选型讲解

作者：王一一，知乎《硬件之路》

一、电容的基本原理

电容，和电感、电阻一起，是电子学三大基本无源器件；电容的功能就是以电场能的形式储存电能量。

以平行板电容器为例，简单介绍下电容的基本原理

Q。

电容储存的电荷量Q与电压U和自身属性(也就是电容值C)有关，也就是Q=U*C。根据理论推导，平行板电容器的电容公式如下：

通交流

电压可以在电容内部形成一个电场，而交流电压就会产生交变电场。根据麦克斯韦方程组中的全电流定律：

即电流或变化的电场都可以产生磁场，麦克斯韦将ε(∂E/∂t)定义为位移电流，是一个等效电流，代表着电场的变化。(这里电流代表电流密度，即J)

设交流电压为正弦变化，即：

实际位移电流等于电流密度乘以面积：

1/ωC，频率很高时，电容容抗会很小，也就是通高频。

下图是利用ANSYS HFSS仿真的平行板电容器内部的电磁场的变化。

横截面电场变化(GIF动图，貌似要点击查看)

纵断面磁场变化(GIF动图，貌似要点击查看)

隔直流

直流电压不随时间变化，位移电流ε(∂E/∂t)为0，直流分量无法通过。

实际电容等效模型

实际电容的特性都是非理想的，有一些寄生效应；因此，需要用一个较为复杂的模型来表示实际电容，常用的等效模型如下：

• 由于介质都不是绝对绝缘的，都存在着一定的导电能力；因此，任何电容都存在着漏电流，以等效电阻Rleak表示；

• 电容器的导线、电极具有一定的电阻率，电介质存在一定的介电损耗；这些损耗统一以等效串联电阻ESR表示；

• 电容器的导线存在着一定的电感，在高频时影响较大，以等效串联电感ESL表示；

• 另外，任何介质都存在着一定电滞现象，就是电容在快速放电后，突然断开电压，电容会恢复部分电荷量，以一个串联RC电路表示。

大多数时候，主要关注电容的ESR和ESL。

品质因数(Quality Factor)

和电感一样，可以定义电容的品质因数，也就是Q值，也就是电容的储存功率与损耗功率的比：

Qc=(1/ωC)/ESR

Q值对高频电容是比较重要的参数。

自谐振频率(Self-Resonance Frequency)

由于ESL的存在，与C一起构成了一个谐振电路，其谐振频率便是电容的自谐振频率。在自谐振频率前，电容的阻抗随着频率增加而变小；在自谐振频率后，电容的阻抗随着频率增加而变小，就呈现感性；如下图所示：

图出自Taiyo Yuden的EMK042BJ332MC-W规格书

二、电容的工艺与结构

根据电容公式，电容量的大小除了与电容的尺寸有关，与电介质的介电常数(Permittivity)有关。电介质的性能影响着电容的性能，不同的介质适用于不同的制造工艺。

常用介质的性能对比，可以参考AVX的一篇技术文档。

AVX Dielectric Comparison Chart

电容的制造工艺主要可以分为三大类：

• 薄膜电容(Film Capacitor)

• 电解电容(Electrolytic Capacitor)

• 陶瓷电容(Ceramic Capacitor)

2.1 薄膜电容(Film Capacitor)

Film Capacitor在国内通常翻译为薄膜电容，但和Thin Film工艺是不一样的。为了区分，个人认为直接翻译为膜电容好点。

薄膜电容是通过将两片带有金属电极的塑料膜卷绕成一个圆柱形，最后封装成型；由于其介质通常是塑料材料，也称为塑料薄膜电容；其内部结构大致如下图所示：

原图来自于维基百科

薄膜电容根据其电极的制作工艺，可以分为两类：

金属箔薄膜电容(Film/Foil)

金属箔薄膜电容，直接在塑料膜上加一层薄金属箔，通常是铝箔，作为电极；这种工艺较为简单，电极方便引出，可以应用于大电流场合。

金属化薄膜电容(Metallized Film)

金属化薄膜电容，通过真空沉积(Vacuum Deposited)工艺直接在塑料膜的表面形成一个很薄的金属表面，作为电极；由于电极厚度很薄，可以绕制成更大容量的电容；但由于电极厚度薄，只适用于小电流场合。

金属化薄膜电容就是具有自我修复的功能，即假如电容内部有击穿损坏点，会在损坏处产生雪崩效应，气化金属在损坏处将形成一个气化集合面，短路消失，损坏点被修复；因此，金属化薄膜电容可靠性非常高，不存在短路失效；

薄膜电容有两种卷绕方法：有感绕法在卷绕前，引线就已经和内部电极连在一起；无感绕法在绕制后，会采用镀金等工艺，将两个端面的内部电极连成一个面，这样可以获得较小的ESL，应该高频性能较高；此外，还有一种叠层型的无感电容，结构与MLCC类似，性能较好，便于做成SMD封装。

原图出自http://www.global.tdk.com/techmag/electronics_primer/vol4.htm