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【大功率直流电源元器件百科】浅谈电容

一、电容的根本原理
电容,和电感、电阻一同,是电子学三大根本无源器材;电容的功用就是以电场能的方式贮存电能量。

以平行板电容器为例,简略介绍下电容的根本原理
【大功率直流电源元器件百科】浅谈电容

如上图所示,在两块间隔较近、彼此平行的金属平板上(平板之间为电介质)加载一个直流电压;安稳后,与电压正极相连的金属平板将出现必定量的正电荷,而与电压负极相连的金属平板将出现相等量的负电荷;这样,两个金属平板之间就会构成一个静电场,所以电容是以电场能的方式贮存电能量,贮存的电荷量为Q。
电容贮存的电荷量Q与电压U和本身特色(也就是电容值C)有关,也就是Q=U*C。依据理论推导,平行板电容器的电容公式如下:
抱负电容内部是介质(Dielectric),没有自由电荷,不可能发作电荷移动也就是电流,那么抱负电容是怎么通沟通的呢?
通沟通
电压能够在电容内部构成一个电场,而沟通电压就会发作交变电场。依据麦克斯韦方程组中的全电流规则:
即电流或改变的电场都能够发作磁场,麦克斯韦将ε(∂E/∂t)定义为位移电流,是一个等效电流,代表着电场的改变。(这儿电流代表电流密度,即J)
设沟通电压为正弦改变,即:

实践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。
下图是运用ANSYS HFSS仿真的平行板电容器内部的电磁场的改变。
横截面电场改变(GIF动图,形似要点击检查)
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纵断面磁场改变(GIF动图,形似要点击检查)
也就是说电容在通沟通的时分,内部的电场和磁场在彼此变换。

隔直流
直流电压不随时刻改变,位移电流ε(∂E/∂t)为0,直流分量无法经过。
实践电容等效模型
实践电容的特性都对错抱负的,有一些寄生效应;因而,需求用一个较为杂乱的模型来表明实践电容,常用的等效模型如下:
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由于介质都不是肯定绝缘的,都存在着必定的导电才能;因而,任何电容都存在着漏电流,以等效电阻Rleak表明;
电容器的导线、电极具有必定的电阻率,电介质存在必定的介电损耗;这些损耗一致以等效串联电阻ESR表明;
电容器的导线存在着必定的电感,在高频时影响较大,以等效串联电感ESL表明;
别的,任何介质都存在着必定电滞现象,就是电容在快速放电后,俄然断开电压,电容会康复部分电荷量,以一个串联RC电路表明。
大多数时分,首要重视电容的ESR和ESL。
品质因数(Quality Factor)

和电感一样,能够定义电容的品质因数,也就是Q值,也就是电容的贮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一同构成了一个谐振电路,其谐振频率就是电容的自谐振频率。在自谐振频率前,电容的阻抗跟着频率添加而变小;在自谐振频率后,电容的阻抗跟着频率添加而变小,就出现理性;如下图所示:
【大功率直流电源元器件百科】浅谈电容

图出自Taiyo Yuden的EMK042BJ332MC-W规范书
二、电容的工艺与结构

依据电容公式,电容量的大小除了与电容的尺度有关,与电介质的介电常数(Permittivity)有关。电介质的功用影响着电容的功用,不同的介质适用于不同的制造工艺。

常用介质的功用比照,能够参阅AVX的一篇技能文档。

AVX Dielectric Comparison Chart
电容的制造工艺首要能够分为三大类:

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在国内一般翻译为薄膜电容,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。
薄膜电容是经过将两片带有金属电极的塑料膜卷绕成一个圆柱形,终究封装成型;由于其介质一般是塑料材料,也称为塑料薄膜电容;其内部结构大致如
薄膜电容依据其电极的制造工艺,能够分为两类:
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,一般是铝箔,作为电极;这种工艺较为简略,电极便利引出,能够运用于大电流场合。
金属化薄膜电容(Metallized Film)
金属化薄膜电容,经过真空堆积(Vacuum Deposited)工艺直接在塑料膜的外表构成一个很薄的金属外表,作为电极;由于电极厚度很薄,能够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正的功用,即假设电容内部有击穿损坏点,会在损害处发作雪崩效应,气化金属在损害处将构成一个气化调集面,短路消失,损坏点被修正;因而,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办法:有感绕法在卷绕前,引线就现已和内部电极连在一同;无感绕法在绕制后,会选用镀金等工艺,将两个端面的内部电极连成一个面,这样能够获得较小的ESL,应该高频功用较高;此外,还有一种叠层型的无感电容,结构与MLCC相似,功用较好,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年创造的;作业电压很高。现在多用塑料材料,也就是高分子聚合物,依据其介质材料的不同,首要有以下几种:
运用最多的薄膜电容是聚酯薄膜电容,比较廉价,由于其介电常数较高,尺度能够做的较小;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。
薄膜电容的特色就是能够做到大容量,高耐压;但由于工艺原因,其尺度很难做小,一般运用于强电电路,例如电力电子职业;根本上是长这个姿态:

2.2 电解电容(Electrolytic Capacitor)

电解电容是用金属作为阳极(Anode),并在外表构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。

依据运用的金属的不同,现在只需有三类电解电容:

铝电解电容(Aluminum electrolytic capacitors)

铝电解电容应该是运用最广泛的电解电容,最廉价,其根本结构如下图所示:
铝电解电容的制造工艺大致有如下几步:

首要,铝箔会经过电蚀刻(Etching)的方式,构成一个非常粗糙的外表,这样增大了电极的外表积,能够增大电容量;
再经过化学办法将阳极氧化,构成一个氧化层,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阻隔,压合绕制;
终究,加注电解液,电解纸会吸收电解液,封装成型。
运用电解液的湿式铝电解电容运用最广;长处就是电容量大、额外电压高、廉价;缺陷也很明显,就是寿数较短、温度特性欠好、ESR和ESL较大。关于硬件开发来说,需求避免过规划,在满意功用要求的状况下,廉价就是最大的优势。

下图是基美(Kemet)的铝电解电容产品,大致能够看出铝电解电容的特色。
铝电解电容也有运用二氧化锰、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:
聚合物铝电解电容的ESR较小,容值更安稳,瞬态呼应好;由于是固态,抗冲击振动才能比湿式的要好;能够做出较小的SMD封装。当然,湿式的铝电解电容也能够做SMD封装,不过大都是长这样:

钽(拼音tǎn)电解电容运用最多的应该是运用二氧化锰做固态电解质,首要长这样:

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。钽电容寿数较长,电功用愈加安稳。

钽电容也有运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相似,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。

别的还有湿式的钽电容,特色就是超大容量、高耐压、低直流漏电流,首要用于军事和航天范畴。湿式的钽电容首要长这样:

铌电解电容(Niobium electrolytic capacitors)
铌电解电容与钽电解电容相似,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;铌电容的功用愈加安稳,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:
电解电容比照表,数据来历于维基百科,仅供参阅。

2.3 陶瓷电容(Ceramic Capacitor)
陶瓷电容是以陶瓷材料作为介质材料,陶瓷材料有许多种,介电常数、安稳性都有不同,适用于不同的场合。
陶瓷电容,首要有以下几种:
瓷片电容(Ceramic Disc Capacitor)
瓷片电容的首要长处就是能够耐高压,一般用作安规电容,能够耐250V沟通电压。其外观和结构如下图所示:

多层陶瓷电容(Multi-layer Ceramic Capacitor)
多层陶瓷电容,也就是MLCC,片状(Chip)的多层陶瓷电容是现在世界上运用量最大的电容类型,其规范化封装,尺度小,适用于自动化高密度贴片出产。
作者,也就是我自己规划的主板,自己拍的相片,加了艺术作用;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,剩余一点点可能忽略忘加了;标引用的图片,许多都是我重新加工的,例如翻译或几张图拼在一同等等,东西很土EXCEL+截图。
多层陶瓷电容的内部结构如下图所示:
由于多层陶瓷需求烧结瓷化,构成一体化结构,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技能在功用或工艺操控方面都比较先进,能够准确的操控器材的电功用和物理功用。因而,Thin Film电容功用比较好,最小容值能够做到0.05pF,而容差能够做到0.01pF;比一般MLCC要好许多,像Murata的GJM系列,最小容值是0.1pF,容差一般都是0.05pF;因而,Thin Film电容能够用于要求比较高的RF范畴,AVX有Accu-P®系列。
陶瓷介质的分类

依据EIA-198-1F-2002,陶瓷介质首要分为四类:

Class I:具有温度补偿特性的陶瓷介质,其介电常数大都较低,不超越200。一般都是顺电性介质(Paraelectric),温度、频率以及偏置电压下,介电常数比较安稳,改变较小。损耗也很低,耗散因数小于0.01。
性质最安稳,运用最多的是C0G电容,也就是NP0。NP0是IEC/EN 60384-1规范中规定的代号,即Negative Positive Zero,也就是用N和P来表明正负误差。

由于介电常数低,C0G电容的容值较小,最大能够做到0.1uF,0402封装一般最大只要1000pF。

Class II,III:其间,温度特性A-S归于Class II,介电常数几千左右。温度特性T-V归于Class III,介电常数最高能够到20000,能够看出Class III的功用愈加不安稳。依据IEC的分类,Class II和III都归于第二类,高介电常数介质。像X5R和X7R都是Class II电容,在电源去耦中运用较多,而Y5V归于Class III电容,功用不太安稳,个人觉得现在运用不多了。

由于Class II和III电容的容值最高能够做到几百uF,但由于高介电常数介质,大都是铁电性介质(Ferroelectric),温度安稳性差。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,当内部磁场超越必定值时,会发作磁饱满现象,导致磁导率下降;相同的,关于铁电性介质存在电滞现象,当内部电场超越必定值时,会发作电饱满现象,导致介电常数下降。

Class IV:制造工艺和一般的陶瓷材料不一样,内部陶瓷颗粒都是外面一层很薄的氧化层,而中心是导体。这种类型的电容容量很大,但击穿电压很小。由于此类电容的功用不安稳,损耗高,现在现已根本被筛选了。

电容类型总结表
还有一类超级电容,就是容量特别大,能够代替电池作为供电设备,也能够和电池合作运用。超级电容充电速度快,能够彻底地充放电,并且能够充到任何想要的电压,只需不超越额外电压。现在运用也比较多,国内许多城市都有超级电容电动公交车;还有些电子产品上也有运用,例如一些行车记录仪上,能够继续供电几天。
三、电容的运用与选型
器材选型,其实就是从器材的规范书上提取相关的信息,判别是否满意产品的规划和运用的要求。
3.1 概述
电容作为一个储能元件,能够贮存能量。外部电源断开后,电容也可能带电。因而,安全提示非常必要。有些电子设备内部会贴个高压危险,小时分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?作业后,拆过几个电源适配器,被电的耐人寻味……

回归正题,电容储能能够做如下运用:

贮存能量就能够当电源,例如超级电容;
存储数据,运用非常广。动态易失性存储器(DRAM)就是运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、服务器中内存的运用量非常大,因而,内存职业都能够作为信息产业的风向标了。
此外,电容还能够用作:

守时:电容充放电需求时刻,能够用做守时器;还能够做延时电路,最常见的就是上电延时复位;一些守时芯片如NE556,能够发作三角波。
谐振源:与电感一同组成LC谐振电路,发作固定频率的信号。
运用电容通高频、阻低频、隔直流的特性,电容还能够用作:

电源去耦
电源去耦应该是电容最广泛的运用,各种CPU、SOC、ASIC的周围、反面放置了很多的电容,意图就是坚持供电电压的安稳。
首要,在DCDC电路中,需求挑选适宜的输入电容和输出电容来下降电压纹波。需求核算出相关参数。
此外,像IC作业时,不一起刻需求的作业电流是不一样的,因而,也需求很多的去耦电容,来确保作业电压得安稳。

耦合隔直
规划电路时,有些状况下,只期望传递沟通信号,不期望传递直流信号,这时分能够运用串联电容来耦合信号。
例如多级放大器,为了避免直流偏置彼此影响,静态作业点核算杂乱,一般级间运用电容耦合,这样每一级静态作业点能够独立剖析。
例如PCIE、SATA这样的高速串行信号,一般也运用电容进行沟通耦合。

旁路滤波
旁路,望文生义就是将不需求的沟通信号导入大地。滤波其实也是一个意思。在微波射频电路中,各种滤波器的规划都需求运用电容。此外,像EMC规划,关于接口处的LED灯,都会在信号线上加一颗滤波电容,这样能够进步ESD测验时的可靠性。
3.2 铝电解电容
3.2.1 铝电解电容(湿式)
铝电解电容(湿式)无论是插件仍是贴片封装,高度都比较高,并且ESR都较高,不适合于放置于IC附近做电源去耦,一般都是用于电源电路的输入和输出电容。
容值
从规范书中获取电容值容差,一般铝电解电容的容差都是±20%。核算最大容值和最小容值时,各项参数要满意规划要求。
额外电压
铝电解电容一般只适用于直流场合,规划作业电压至少要低于额外电压的80%。关于有浪涌防护的电路,其额外浪涌电压要高于防护器材(一般是TVS)的残压。
例如,关于一些POE供电的设备,依据802.3at规范,作业电压最高可达57V,那么挑选的TVS钳位电压有90多V,那么至少挑选额外电压100V的铝电解电容。此刻,也只要铝电解电容能一起满意大容量的要求。

耗散因数
规划DCDC电路时,输出电容的ESR影响输出电压纹波,因而需求知道铝电解电容的ESR,但大多数铝电解电容的规范书只给出了耗散因数tanδ。能够依据以下公式来核算ESR:

ESR = 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。因而,运用铝电解电容时,需求合作运用片状陶瓷电容,靠近DCDC芯片放置。
跟着开关频率和温度的升高,ESR会下降。

额外纹波电流
电容的纹波电流,要满意DCDC规划的输入和输出电容的RMS电流的需求。铝电解电容的额外纹波电流需求依据开关频率来修正。

寿数
铝电解电容的寿数比较短,选型需求留意。而寿数是和作业温度直接相关的,规范书一般给出产品最高温度时的寿数,例如105℃时,寿数为2000小时。
依据经验规则,作业温度每下降10℃,寿数乘以2。如果产品的规划运用寿数为3年,也就是26280小时。则10*log2(26280/2000)=37.3℃,那么规划作业温度不能超越65℃。

3.2.2 聚合物铝电解电容
像Intel的CPU这样的大功耗器材,一颗芯片80多瓦的功耗,核电流几十到上百安,一起主频很高,高频成分多。这时对去耦电容的要求就很高:
电容值要大,满意大电流要求;
额外RMS电流要大,满意大电流要求;
ESR要小,满意高频去耦要求;
容值安稳性要好;
外表帖装,高度不能太高,由于一般放置在CPU反面的BOTTOM层,以达到最好的去耦作用。
这时,挑选聚合物铝电解电容最为适宜。
此外,关于音频电路,一般需求用到耦合、去耦电容,由于音频的频率很低,所以需求用大电容,此刻聚合物铝电解电容也很适宜。

3.3 钽电容
依据前文相关材料的来历,能够发现,钽电容的首要厂商就是Kemet、AVX、Vishay。
钽归于比较稀有的金属,因而,钽电容会比其他类型的电容要贵一点。可是功用要比铝电解电容要好,ESR更小,损耗更小,去耦作用更好,漏电流小。下图是Kemet一款固态钽电容的参数表:
额外电压
固态钽电容的作业电压需求降额规划。正常状况作业电压要低于额外电压的50%;高温环境或负载阻抗较低时,作业电压要低于额外电压的30%。详细降额要求应严厉按照规范书要求。

此外,还需求留意钽电容的接受反向电压的状况,沟通成分过大,可能会导致钽电容接受反向电压,导致钽电容失效。
固态钽电容的首要失效模式是短路失效,会直接导致电路无法作业,甚至起火等危险。因而,需求额外留意可靠性规划,下降失功率。
关于一旦失效,就会造成重大事故的产品,主张不要运用固态钽电容。

额外纹波电流
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,不要超越钽电容的额外温度以及相关降额规划。

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(现已被日本京瓷收买了)。
三大日系做的比较好的就是有相应的选型软件,有电感、电容等一切系列的产品及相关参数曲线,非常全,不得不再次引荐一下:

3.4.1 Class I电容
Class I电容运用最多的是C0G电容,功用安稳,适用于谐振、匹配、滤波等高频电路。
C0G电容的容值非常安稳,根本不随外界条件(频率在外)改变,下图是Murata一款1000pF电容的直流、沟通及温度特性。
因而,一般只需求重视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电容的频率特性比照。



图片来自SimSurfing - Web - Murata

其间GRM是一般系列,GJM是高Q值系列、GQM是高频系列,可见GQM系列高频功用更好,自谐振频率和Q值更高,一些高频功用要求很高的场合,能够选用容差1%的产品。而GRM系列比较廉价,愈加通用,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,功用不安稳,容值改变规模大,一般用作电源去耦或许信号旁路。

以Murata一款22uF、6.3V、X5R电容为例,相关特性曲线:

容值
Class II和Class III电容,容值随温度、DC偏置以及AC偏置改变规模较大。特别是用作电源去耦时,电容都有必定的直流偏置,电容量比标称值小许多,所以要留意实践容值是否满意规划要求。

纹波电流
作为DCDC的输入和输出电容,都会有必定的纹波电流,由于ESR的存在会导致必定的温升。加上环境温度,不能超越电容的额外温度,例如X5R电容最高额度温度是85℃。

一般由于多层陶瓷电容ESR较小,能接受的纹波电流较大。

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,只要1-2MHz。所以,为了进步电源的高频效应,很多小容值的去耦电容是有必要的。此外,关于开关频率很高的DCDC芯片,要留意输入输出电容的自谐振频率。

ESR
规划DCDC电路,需求知道输出电容的ESR,来核算输出电压纹波。多层陶瓷电容的ESR一般较低,大约几到几十毫欧。

3.5 安规电容
关于我们家用的电子设备,终究都是220V沟通市电供电。电源适配器为了削减对电网的搅扰,经过相关EMC测验,都会加各种滤波电容。下图为一个简易的电路示意图:

关于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沟通电具有危险性,会要挟人的人身安全,电子产品都需求满意相关安规规范,例如GB4943和UL60950的相关测验要求。因而,X 电容和Y电容与这些测验直接相关,所以也叫安规电容。
以抗电强度测验为例,依据规范,L、N侧为一次电路,需求与PE或GND之间为根本绝缘。因而,需求在L或N对GND之间加沟通1.5kV或许直流2.12kV的耐压测验,继续近1分钟,期间相关漏电流不能超越规范规定值。因而,安规电容,有适当高的耐压要求,一起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:
能够看到电容的耐压都是2kV以上,由于网口一般有变压器,220V沟通电的L和N到网线有两个变压器阻隔,是两层绝缘,L和N到网线之间也要进行抗电强度测验。两层绝缘,一般要求经过沟通3kV或直流4.24kV测验。
由于,安规电容有高耐压要求,一般运用瓷片电容或许小型薄膜电容。
此外,器材选型还要首要两点要求:和结构承认器材的长宽高;对插件封装器材不多时,是不是能够悉数运用表贴器材,这样能够省掉波峰焊的工序。

结语
本文大致介绍了几类首要的电容的工艺结构,以及运用选型。水平有限,不免遗漏,欢迎指出。一起仅熟悉信息技能设备,对电力电子、军工等其他职业不了解,所以还有一些其他的电容相关运用无法介绍。

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