转载自http://emakerzone.com/article/229关键字薄膜电容电解电容陶瓷电容铝电解电容钽电容安规电容之前的文章中介绍了电感的一些知识。本文将谈谈电容介绍电容的知识和如何选型。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如上图所示在两块距离较近、相互平行的金属平板上(平板之间为电介质)加载一个直流电压稳定后与电压正极相连的金属平板将呈现一定量的正电荷而与电压负极相连的金属平板将呈现相等量的负电荷这样两个金属平板之间就会形成一个静电场所以电容是以电场能的形式储存电能量储存的电荷量为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QU*C。根据理论推导平行板电容器的电容公式如下理想电容内部是介质(Dielectric)没有自由电荷不可能产生电荷移动也就是电流那么理想电容是如何通交流的呢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所以电容的容抗为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)也就是说电容在通交流的时候内部的电场和磁场在相互转换。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)/ESRQ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。最早的薄膜电容的介质材料是用纸浸注在油或石蜡中英国人D斐茨杰拉德于1876年发明的工作电压很高。现在多用塑料材料也就是高分子聚合物根据其介质材料的不同主要有以下几种应用最多的薄膜电容是聚酯薄膜电容比较便宜由于其介电常数较高尺寸可以做的较小其次就是聚丙烯薄膜电容。其他材料还有聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等等。薄膜电容的特点就是可以做到大容量高耐压但由于工艺原因其尺寸很难做小通常应用于强电电路例如电力电子行业基本上是长这个样子截图于High Power Capacitors For Power Electronics - AVX引申阅读· Film capacitor· Capacitors, Part 4 Film Capacitors [1]· AVX PRODUCT GUIDE FOR MEDIUM HIGH POWER FILM CAPACITORS2.2 电解电容(Electrolytic Capacitor)电解电容是用金属作为阳极(Anode)并在表面形成一层金属氧化膜作为介质然后湿式或固态的电解质和金属作为阴极(Cathode)。电解电容大都是有极性的如果阴极侧的金属也有一层氧化膜就是无极性的电解电容。根据使用的金属的不同目前只要有三类电解电容铝电解电容(Aluminum electrolytic capacitors)铝电解电容应该是使用最广泛的电解电容最便宜其基本结构如下图所示铝电解电容的制作工艺大致有如下几步· 首先铝箔会通过电蚀刻(Etching)的方式形成一个非常粗糙的表面这样增大了电极的表面积可以增大电容量· 再通过化学方法将阳极氧化形成一个氧化层作为介质· 然后在阳极铝箔和阴极铝箔之间加一层电解纸作为隔离压合绕制· 最后加注电解液电解纸会吸收电解液封装成型。使用电解液的湿式铝电解电容应用最广优点就是电容量大、额定电压高、便宜缺点也很明显就是寿命较短、温度特性不好、ESR和ESL较大。对于硬件开发来说需要避免过设计在满足性能要求的情况下便宜就是最大的优势。下图是基美(Kemet)的铝电解电容产品大致可以看出铝电解电容的特点。原图截图于KEMET网站铝电解电容也有使用二氧化锰、导电高分子聚合物等固态材料做电解质聚合物铝电解电容的结构大致如下图所示原图出自Polymer Aluminum Electrolytic Capacitors - Murata聚合物铝电解电容的ESR较小容值更稳定瞬态响应好由于是固态抗冲击振动能力比湿式的要好可以做出较小的SMD封装。当然湿式的铝电解电容也可以做SMD封装不过大都是长这样图片来源于百度图片而聚合物铝电解电容的封装长这样图片来自Murata网站引申阅读· Polymer Capacitor Basics (Part 1): What Is a Polymer Capacitor?· Polymer Capacitor Basics (Part 2): What Is a Polymer Capacitor?钽电解电容(Tantalum electrolytic capacitors)钽(拼音tǎn)电解电容应用最多的应该是利用二氧化锰做固态电解质主要长这样图片出自Solid Tantalum MnO2 Capacitors固态钽电解电容内部结构大致如下图所示原图出自Vishay技术文档钽电容与铝电解电容比在于钽氧化物(五氧化二钽)的介电常数比铝氧化物(三氧化二铝)的高不少这样相同的体积钽电容容量要比铝电解电容的要大。钽电容寿命较长电性能更加稳定。钽电容也有利用导电高分子聚合物(Conductive Polymer)做电解质结构与上图二氧化锰钽电容类似就是将二氧化锰换成导电聚合物导电聚合物的电导率比二氧化锰高这样ESR就会更低。另外还有湿式的钽电容特点就是超大容量、高耐压、低直流漏电流主要用于军事和航天领域。湿式的钽电容主要长这样截图于Vishay技术文档引申阅读· Guide for Tantalum Solid Electrolyte Chip Capacitors with Polymer Cathode· Wet Electrolyte Tantalum Capacitors铌电解电容(Niobium electrolytic capacitors)铌电解电容与钽电解电容类似就是铌及其氧化物代替钽铌氧化物(五氧化二铌)的介电常数比钽氧化物(五氧化二钽)更高铌电容的性能更加稳定可靠性更高。AVX有铌电容系列产品二氧化锰钽电容外观是黄色而铌电容外观是橙红色大致长这样图片出自AVX网站引申阅读· Tantalum Polymer and Niobium OxideCapacitors· OxiCap® - niobium oxide capacitor电解电容对比表数据来源于维基百科仅供参考。引申阅读· Electrolytic capacitor2.3 陶瓷电容(Ceramic Capacitor)陶瓷电容是以陶瓷材料作为介质材料陶瓷材料有很多种介电常数、稳定性都有不同适用于不同的场合。陶瓷电容主要有以下几种瓷片电容(Ceramic Disc Capacitor)瓷片电容的主要优点就是可以耐高压通常用作安规电容可以耐250V交流电压。其外观和结构如下图所示原图出自本小节两篇引申阅读引申阅读· Capacitors | DE1 series lineup· Ceramic Capacitor多层陶瓷电容(Multi-layer Ceramic Capacitor)多层陶瓷电容也就是MLCC片状(Chip)的多层陶瓷电容是目前世界上使用量最大的电容类型其标准化封装尺寸小适用于自动化高密度贴片生产。作者也就是我自己设计的主板自己拍的照片加了艺术效果没有标引用和出处的图片和内容绝大多数都是我自己画或弄出来的剩下一点点可能疏忽忘加了标引用的图片很多都是我重新加工的例如翻译或几张图拼在一起等等工具很土EXCEL截图。多层陶瓷电容的内部结构如下图所示原图出自SMD MLCC for High Power Applications - KEMET多层陶瓷电容生产流程如下图所示原图出自Capacitors, Part 2 Ceramic Capacitors [1]由于多层陶瓷需要烧结瓷化形成一体化结构所以引线(Lead)封装的多层陶瓷电容也叫独石(Monolithic)电容。在谈谈电感 中也介绍过多层陶瓷工艺和Thin Film工艺。Thin Film技术在性能或工艺控制方面都比较先进可以精确的控制器件的电性能和物理性能。因此Thin Film电容性能比较好最小容值可以做到0.05pF而容差可以做到0.01pF比通常MLCC要好很多像Murata的GJM系列最小容值是0.1pF容差通常都是0.05pF因此Thin Film电容可以用于要求比较高的RF领域AVX有Accu-P®系列。引申阅读· Thin Film Capacitor - AVX· Ceramic capacitor· BME and PME Ceramic’s Hidden Property - KEMET陶瓷介质的分类根据EIA-198-1F-2002陶瓷介质主要分为四类Class I具有温度补偿特性的陶瓷介质其介电常数大都较低不超过200。通常都是顺电性介质(Paraelectric)温度、频率以及偏置电压下介电常数比较稳定变化较小。损耗也很低耗散因数小于0.01。截图自Materials Development for Commercial Multilayer Ceramic CapacitorsPage26性质最稳定应用最多的是C0G电容也就是NP0。NP0是IEC/EN 60384-1标准中规定的代号即Negative Positive Zero也就是用N和P来表示正负偏差。由于介电常数低C0G电容的容值较小最大可以做到0.1uF0402封装通常最大只有1000pF。Class IIIII其中温度特性A-S属于Class II介电常数几千左右。温度特性T-V属于Class III介电常数最高可以到20000可以看出Class III的性能更加不稳定。根据IEC的分类Class II和III都属于第二类高介电常数介质。像X5R和X7R都是Class II电容在电源去耦中应用较多而Y5V属于Class III电容性能不太稳定个人觉得现在应用不多了。截图自Materials Development for Commercial Multilayer Ceramic CapacitorsPage103由于Class II和III电容的容值最高可以做到几百uF但由于高介电常数介质大都是铁电性介质(Ferroelectric)温度稳定性差。此外铁电性介质在直流偏置电压下介电常数会下降。在谈谈电感一文中介绍了铁磁性介质存在磁滞现象当内部磁场超过一定值时会发生磁饱和现象导致磁导率下降同样的对于铁电性介质存在电滞现象当内部电场超过一定值时会发生电饱和现象导致介电常数下降。因此当Class II和III电容的直流偏置电压超过一定值时电容会明显下降如下图所示图片来源GRM188R60J226MEA0 - MurataClass IV制作工艺和通常的陶瓷材料不一样内部陶瓷颗粒都是外面一层很薄的氧化层而核心是导体。这种类型的电容容量很大但击穿电压很小。由于此类电容的性能不稳定损耗高现在已经基本被淘汰了。引申阅读· ECA-EIA-198-1-F-2002· Materials Development for Commercial Multilayer Ceramic Capacitors· Hysteresis in Piezoelectric and Ferroelectric Materials电容类型总结表原图出自维基百科还有一类超级电容就是容量特别大可以替代电池作为供电设备也可以和电池配合使用。超级电容充电速度快可以完全地充放电而且可以充到任何想要的电压只要不超过额定电压。现在应用也比较多国内很多城市都有超级电容电动公交车还有些电子产品上也有应用例如一些行车记录仪上可以持续供电几天。引申阅读· What Is a Supercapacitor (EDLC)?· Murata Supercapacitor Technical Note· Capacitor types· Comparison of Multilayer Ceramic and Tantalum Capacitors三、电容的应用与选型器件选型其实就是从器件的规格书上提取相关的信息判断是否满足产品的设计和应用的要求。3.1 概述电容作为一个储能元件可以储存能量。外部电源断开后电容也可能带电。因此安全提示十分必要。有些电子设备内部会贴个高压危险小时候拆过家里的黑白电视机拆开后看到显像管上贴了个高压危险那时就有个疑问没插电源也会有高压吗工作后拆过几个电源适配器被电的回味无穷……回归正题电容储能可以做如下应用· 储存能量就可以当电源例如超级电容· 存储数据应用非常广。动态易失性存储器(DRAM)就是利用集成的电容阵列存储数据电容充满电就是1放完电就是0。各种手机、电脑、服务器中内存的使用量非常大因此内存行业都可以作为信息产业的风向标了。此外电容还可以用作· 定时电容充放电需要时间可以用做定时器还可以做延时电路最常见的就是上电延时复位一些定时芯片如NE556可以产生三角波。· 谐振源与电感一起组成LC谐振电路产生固定频率的信号。利用电容通高频、阻低频、隔直流的特性电容还可以用作电源去耦电源去耦应该是电容最广泛的应用各种CPU、SOC、ASIC的周围、背面放置了大量的电容目的就是保持供电电压的稳定。首先在DCDC电路中需要选择合适的输入电容和输出电容来降低电压纹波。需要计算出相关参数。此外像IC工作时不同时刻需要的工作电流是不一样的因此也需要大量的去耦电容来保证工作电压得稳定。耦合隔直设计电路时有些情况下只希望传递交流信号不希望传递直流信号这时候可以使用串联电容来耦合信号。例如多级放大器为了防止直流偏置相互影响静态工作点计算复杂通常级间使用电容耦合这样每一级静态工作点可以独立分析。例如PCIE、SATA这样的高速串行信号通常也使用电容进行交流耦合。旁路滤波旁路顾名思义就是将不需要的交流信号导入大地。滤波其实也是一个意思。在微波射频电路中各种滤波器的设计都需要使用电容。此外像EMC设计对于接口处的LED灯都会在信号线上加一颗滤波电容这样可以提高ESD测试时的可靠性。3.2 铝电解电容3.2.1 铝电解电容(湿式)铝电解电容(湿式)无论是插件还是贴片封装高度都比较高而且ESR都较高不适合于放置于IC附近做电源去耦通常都是用于电源电路的输入和输出电容。原图来自KEMET规格书容值从规格书中获取电容值容差通常铝电解电容的容差都是±20%。计算最大容值和最小容值时各项参数要满足设计要求。额定电压铝电解电容通常只适用于直流场合设计工作电压至少要低于额定电压的80%。对于有浪涌防护的电路其额定浪涌电压要高于防护器件(通常是TVS)的残压。例如对于一些POE供电的设备根据802.3at标准工作电压最高可达57V那么选择的TVS钳位电压有90多V那么至少选择额定电压100V的铝电解电容。此时也只有铝电解电容能同时满足大容量的要求。原图来自Littelfuse的TVS规格书耗散因数设计DCDC电路时输出电容的ESR影响输出电压纹波因此需要知道铝电解电容的ESR但大多数铝电解电容的规格书只给出了耗散因数tanδ。可以根据以下公式来计算ESRESR tanδ/(2πfC)例如120Hz时tanδ为16%而C为220uF则ESR约为965mΩ。可见铝电解电容的ESR非常大这会导致输出电压纹波很大。因此使用铝电解电容时需要配合使用片状陶瓷电容靠近DCDC芯片放置。随着开关频率和温度的升高ESR会下降。额定纹波电流电容的纹波电流要满足DCDC设计的输入和输出电容的RMS电流的需求。铝电解电容的额定纹波电流需要根据开关频率来修正。寿命铝电解电容的寿命比较短选型需要注意。而寿命是和工作温度直接相关的规格书通常给出产品最高温度时的寿命例如105℃时寿命为2000小时。根据经验规律工作温度每下降10℃寿命乘以2。如果产品的设计使用寿命为3年也就是26280小时。则10*log2(26280/2000)37.3℃那么设计工作温度不能超过65℃。3.2.2 聚合物铝电解电容像Intel的CPU这样的大功耗器件一颗芯片80多瓦的功耗核电流几十到上百安同时主频很高高频成分多。这时对去耦电容的要求就很高· 电容值要大满足大电流要求· 额定RMS电流要大满足大电流要求· ESR要小满足高频去耦要求· 容值稳定性要好· 表面帖装高度不能太高因为通常放置在CPU背面的BOTTOM层以达到最好的去耦效果。这时选择聚合物铝电解电容最为合适。此外对于音频电路通常需要用到耦合、去耦电容由于音频的频率很低所以需要用大电容此时聚合物铝电解电容也很合适。3.3 钽电容根据前文相关资料的来源可以发现钽电容的主要厂商就是Kemet、AVX、Vishay。钽属于比较稀有的金属因此钽电容会比其他类型的电容要贵一点。但是性能要比铝电解电容要好ESR更小损耗更小去耦效果更好漏电流小。下图是Kemet一款固态钽电容的参数表截图自Kemet规格书额定电压固态钽电容的工作电压需要降额设计。正常情况工作电压要低于额定电压的50%高温环境或负载阻抗较低时工作电压要低于额定电压的30%。具体降额要求应严格按照规格书要求。此外还需要注意钽电容的承受反向电压的情况交流成分过大可能会导致钽电容承受反向电压导致钽电容失效。固态钽电容的主要失效模式是短路失效会直接导致电路无法工作甚至起火等风险。因此需要额外注意可靠性设计降低失效率。对于一旦失效就会造成重大事故的产品建议不要使用固态钽电容。额定纹波电流纹波电流流过钽电容由于ESR存在会导致钽电容温升加上环境温度不要超过钽电容的额定温度以及相关降额设计。3.4 片状多层陶瓷电容片状多层陶瓷电容应该是出货量最大的电容制造商也比较多像三大日系TDK、muRata、Taiyo Yuden美系像KEMET、AVX(已经被日本京瓷收购了)。三大日系做的比较好的就是有相应的选型软件有电感、电容等所有系列的产品及相关参数曲线非常全不得不再次推荐一下· SEAT 2013 - TDK· Simsurfing - Murata· Taiyo Yuden Components Selection Guide Data Library3.4.1 Class I电容Class I电容应用最多的是C0G电容性能稳定适用于谐振、匹配、滤波等高频电路。C0G电容的容值十分稳定基本不随外界条件(频率除外)变化下图是Murata一款1000pF电容的直流、交流及温度特性。图片来自GRM1555C1H102JA01 - Murata因此通常只需要关注C0G电容的频率特性。下图是Murata的3款相同封装(0402inch)相同容差(5%)的10pF电容的频率特性对比。图片来自SimSurfing - Web - Murata其中GRM是普通系列GJM是高Q值系列、GQM是高频系列可见GQM系列高频性能更好自谐振频率和Q值更高一些高频性能要求很高的场合可以选用容差1%的产品。而GRM系列比较便宜更加通用例如EMC滤波。3.4.2 Class II和Class III电容Class II和Class III电容都是高介电常数介质性能不稳定容值变化范围大通常用作电源去耦或者信号旁路。以Murata一款22uF、6.3V、X5R电容为例相关特性曲线图片来自GRM188R60J226MEA0 - Murata容值Class II和Class III电容容值随温度、DC偏置以及AC偏置变化范围较大。特别是用作电源去耦时电容都有一定的直流偏置电容量比标称值小很多所以要注意实际容值是否满足设计要求。纹波电流作为DCDC的输入和输出电容都会有一定的纹波电流由于ESR的存在会导致一定的温升。加上环境温度不能超过电容的额定温度例如X5R电容最高额度温度是85℃。通常由于多层陶瓷电容ESR较小能承受的纹波电流较大。自谐振频率电容由于ESL的存在都有一个自谐振频率。大容量的电容自谐振频率较低只有1-2MHz。所以为了提高电源的高频效应大量小容值的去耦电容是必须的。此外对于开关频率很高的DCDC芯片要注意输入输出电容的自谐振频率。ESR设计DCDC电路需要知道输出电容的ESR来计算输出电压纹波。多层陶瓷电容的ESR通常较低大约几到几十毫欧。3.5 安规电容对于我们家用的电子设备最终都是220V交流市电供电。电源适配器为了减少对电网的干扰通过相关EMC测试都会加各种滤波电容。下图为一个简易的电路示意图对于L和N之间的电容叫X电容L、N与PE或GND之间的电容叫Y电容。由于220V交流电具有危险性会威胁人的人身安全电子产品都需要满足相关安规标准例如GB4943和UL60950的相关测试要求。因此X 电容和Y电容与这些测试直接相关所以也叫安规电容。以抗电强度测试为例根据标准L、N侧为一次电路需要与PE或GND之间为基本绝缘。因此需要在L或N对GND之间加交流1.5kV或者直流2.12kV的耐压测试持续近1分钟期间相关漏电流不能超过标准规定值。因此安规电容有相当高的耐压要求同时直流漏电流不能太大。此外常用的RJ45网口为了减小EMI常用到Bob-Smith电路如下图所示可以看到电容的耐压都是2kV以上因为网口通常有变压器220V交流电的L和N到网线有两个变压器隔离是双重绝缘L和N到网线之间也要进行抗电强度测试。双重绝缘通常要求通过交流3kV或直流4.24kV测试。因为安规电容有高耐压要求通常使用瓷片电容或者小型薄膜电容。此外器件选型还要主要两点要求和结构确认器件的长宽高对插件封装器件不多时是不是可以全部使用表贴器件这样可以省掉波峰焊的工序。结语本文大致介绍了几类主要的电容的工艺结构以及应用选型。水平有限难免疏漏欢迎指出。同时仅熟悉信息技术设备对电力电子、军工等其他行业不了解所以还有一些其他的电容相关应用无法介绍。——本文完——