光尚小講堂：電容器參數(shù)及對(duì)使用設(shè)計(jì)影響

      在電子產(chǎn)品中，電容器是必不可少的電子器件，它在電子設(shè)備中充當(dāng)整流器的平滑濾波、電源的退耦、交流信號(hào)的旁路、交直流電路的交流耦合等。由于電容器的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)種類(lèi)比較多，因此，我們不僅需要了解各類(lèi)電容器的性能指標(biāo)和一般特性，而且還必須了解在給定用途下各種元件的優(yōu)缺點(diǎn)，以及機(jī)械或環(huán)境的限制條件等。這里將對(duì)電容器的主要參數(shù)及其應(yīng)用做簡(jiǎn)單說(shuō)明。

      1. 標(biāo)稱(chēng)電容量（ C R ）。電容器產(chǎn)品標(biāo)出的電容量值。云母和陶瓷介質(zhì)電容器的電容量較低（大約在 5000pF 以下）；紙、塑料和一些陶瓷介質(zhì)形式的電容器居中（大約在 0.005uF~1.0uF ）；通常電解電容器的容量較大。這是一個(gè)粗略的分類(lèi)法。

      2. 類(lèi)別溫度范圍。電容器設(shè)計(jì)所確定的能連續(xù)工作的環(huán)境溫度范圍。該范圍取決于它相應(yīng)類(lèi)別的溫度極限值，如上限類(lèi)別溫度、下限類(lèi)別溫度、額定溫度（可以連續(xù)施加額定電壓的最高環(huán)境溫度）等。在電路設(shè)計(jì)中要考慮其溫度范圍，比如電源方面的電電解電容在低于其工作溫度后會(huì)失去其濾波功能，相當(dāng)于開(kāi)路。）

      3. 額定電壓（ U R ）。在下限類(lèi)別溫度和額定溫度之間的任一溫度下，可以連續(xù)施加在電容器上的最大直流電壓或最大交流電壓的有效值或脈沖電壓的峰值。電容器應(yīng)用在高電壓場(chǎng)和時(shí)，必須注意電暈的影響。電暈是由于在介質(zhì) / 電極層之間存在空隙而產(chǎn)生的，它除了可以產(chǎn)生損壞設(shè)備的寄生信號(hào)外，還會(huì)導(dǎo)致電容器介質(zhì)擊穿。在交流或脈動(dòng)條件下，電暈特別容易發(fā)生。對(duì)于所有的電容器，在使用中應(yīng)保證直流電壓與交流峰值電壓之和不得超過(guò)電容器的額定電壓。

      4. 損耗角正切（ tg δ ）。在規(guī)定頻率的正弦電壓下，電容器的損耗功率除以電容器的無(wú)功功率為損耗角正切。

      5. ESR(Equivalent Series Resistance)串聯(lián)等效電阻。理論上，一個(gè)完美的電容，自身不會(huì)產(chǎn)生任何能量損失，但是實(shí)際上，因?yàn)橹圃?A href="http://n9988.cn/">電容的材料有電阻，電容的絕緣介質(zhì)有損耗，各種原因?qū)е?A href="http://n9988.cn/">電容變得不“完美”。這個(gè)損耗在外部，表現(xiàn)為就像一個(gè)電阻跟電容串連在一起，所以就起了個(gè)名字叫做“等效串連電阻”。

      ESR的出現(xiàn)導(dǎo)致電容的行為背離了原始的定義。

      比如，我們認(rèn)為電容上面電壓不能突變，當(dāng)突然對(duì)電容施加一個(gè)電流，電容因?yàn)樽陨沓潆姡�電壓�?huì)從0開(kāi)始上升。但是有了ESR，電阻自身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降，這就導(dǎo)致了電容器兩端的電壓會(huì)產(chǎn)生突變。無(wú)疑的，這會(huì)降低電容的濾波效果，所以很多高質(zhì)量的電源一類(lèi)的，都使用低ESR的電容器。同樣的，在振蕩電路等場(chǎng)合，ESR也會(huì)引起電路在功能上發(fā)生變化，引起電路失效甚至損壞等嚴(yán)重后果。所以在多數(shù)場(chǎng)合，低ESR的電容，往往比高ESR的有更好的表現(xiàn)。

      不過(guò)事情也有例外，有些時(shí)候，這個(gè)ESR也被用來(lái)做一些有用的事情。比如在穩(wěn)壓電路中，有一定ESR的電容，在負(fù)載發(fā)生瞬變的時(shí)候，會(huì)立即產(chǎn)生波動(dòng)而引發(fā)反饋電路動(dòng)作，這個(gè)快速的響應(yīng)，以犧牲一定的瞬態(tài)性能為代價(jià)，獲取了后續(xù)的快速調(diào)整能力，尤其是功率管的響應(yīng)速度比較慢，并且電容器的體積/容量受到嚴(yán)格限制的時(shí)候。這種情況見(jiàn)于一些使用mos管做調(diào)整管的三端穩(wěn)壓或者相似的電路中。這時(shí)候，太低的ESR反而會(huì)降低整體性能。

      ESR是等效“串連”電阻，意味著，將兩個(gè)電容串連，會(huì)增大這個(gè)數(shù)值，而并聯(lián)則會(huì)減少之。實(shí)際上，需要更低ESR的場(chǎng)合更多，而低ESR的大容量電容價(jià)格相對(duì)昂貴，所以很多開(kāi)關(guān)電源采取的并聯(lián)的策略，用多個(gè)ESR相對(duì)高的鋁電解并聯(lián)，形成一個(gè)低ESR的大容量電容。犧牲一定的PCB空間，換來(lái)器件成本的減少，很多時(shí)候都是劃算的。

      和ESR類(lèi)似的另外一個(gè)概念是ESL，也就是等效串聯(lián)電感。早期的卷制電感經(jīng)常有很高的ESL，而且容量越大的電容，ESL一般也越大。ESL經(jīng)常會(huì)成為ESR的一部分，并且ESL也會(huì)引發(fā)一些電路故障，比如串連諧振等。但是相對(duì)容量來(lái)說(shuō)，ESL的比例太小，出現(xiàn)問(wèn)題的幾率很小，再加上電容制作工藝的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸忽略ESL，而把ESR作為除容量之外的主要參考因素了。

      順便，電容也存在一個(gè)和電感類(lèi)似的品質(zhì)系數(shù)Q，這個(gè)系數(shù)反比于ESR，并且和頻率相關(guān)，也比較少使用。

      由ESR引發(fā)的電路故障通常很難檢測(cè)，而且ESR的影響也很容易在設(shè)計(jì)過(guò)程中被忽視。簡(jiǎn)單的做法是，在仿真的時(shí)候，如果無(wú)法選擇電容的具體參數(shù)，可以嘗試在電容上人為串連一個(gè)小電阻來(lái)模擬ESR的影響，通常的，鉭電容的ESR通常都在100毫歐以下，而鋁電解電容則高于這個(gè)數(shù)值，有些種類(lèi)電容的ESR甚至?xí)�高達(dá)數(shù)歐姆。

      5. 電容器的溫度特性。通常是以 20 ℃基準(zhǔn)溫度的電容量與有關(guān)溫度的電容量的百分比表示。

      6. 使用壽命。電容器的使用壽命隨溫度的增加而減小。主要原因是溫度加速化學(xué)反應(yīng)而使介質(zhì)隨時(shí)間退化。

      7. 絕緣電阻。由于溫升引起電子活動(dòng)增加，因此溫度升高將使絕緣電阻降低。