各種類型的電容器及其特性和關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)

電容器是模擬和數(shù)字電子電路中必不可少的儲能器件。這些器件可用于定時、波形生成和整形、阻斷直流、交流信號耦合、濾波與平滑，當(dāng)然還用于儲能。由于用途廣泛，已經(jīng)出現(xiàn)了多種使用各種極板材料、絕緣電介質(zhì)和物理形式的電容器類型。對于這些電容器類型，每一種都適用于特定的應(yīng)用范圍。產(chǎn)品種類繁多意味著需要花時間對所有產(chǎn)品進行分類，以從性能特點、可靠性、使用壽命、穩(wěn)定性和成本方面為設(shè)計找出最佳選擇。

為了正確地將電容器與預(yù)期的電路應(yīng)用相匹配，需要了解每種電容器的特性。這種了解必須涵蓋電容器的電氣、物理和經(jīng)濟特性。

本文將介紹各種類型的電容器及其特性和關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)。文中將以 Murata Electronics、KEMET、Cornell Dubilier Electronics、Panasonic Electronics Corporation 和 AVX Corporation 的產(chǎn)品為例，說明電容器的主要區(qū)別和屬性。

什么是電容器？

電容器是一種在內(nèi)部電場中儲存能量的電子器件。它與電阻器、電感器一樣，都是基本的無源電子元件。所有電容器都具有相同的基本結(jié)構(gòu)，兩塊導(dǎo)電極板中間由絕緣體隔開，該絕緣體稱為電介質(zhì)，可在施加電場后發(fā)生極化（圖 1）。電容值與極板面積 A 成正比，與極板之間的距離 d 成反比。

圖 1：基本電容器由兩塊導(dǎo)電極板組成，中間用非導(dǎo)電電介質(zhì)隔開，電介質(zhì)在兩塊極板之間的電場中以極化區(qū)的形式儲存電能。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

第一個電容器是發(fā)明于 1745 年的萊頓瓶。萊頓瓶是一個內(nèi)外表面都襯有金屬箔的玻璃瓶，最初用來儲存靜電荷。本杰明·富蘭克林曾使用萊頓瓶來證明閃電是電現(xiàn)象，這是最早有記載的應(yīng)用之一。

基本平行極板電容器的電容值可通過公式 1 計算：

公式 1

其中：

C 是電容，單位為法拉

A 是極板面積，單位為平方米

d 是極板之間的距離，單位為米

ε 是介電材料的介電常數(shù)

ε 等于電介質(zhì)的相對介電常數(shù) εr 乘以真空的介電常數(shù) ε0。相對介電常數(shù) εr 通常稱為介電常數(shù) k。

根據(jù)公式 1，電容值與介電常數(shù)和極板面積成正比，與極板間距成反比。要增加電容值，可以增加極板的面積，減小極板之間的距離。由于真空的相對介電常數(shù)為 1，而所有電介質(zhì)的相對介電常數(shù)都大于 1，因此插入電介質(zhì)也會增加電容器的電容值。電容器通常由所用介電材料的類型來指代（表 1）。

表 1：按介電材料分類的常見電容器類型的特性。（表格來源：Digi-Key Electronics）

關(guān)于列表條目的一些說明：

· 電容器的相對介電常數(shù)或電容率影響既定極板面積和電介質(zhì)厚度下可達到的最大電容值。

· 介電強度是電介質(zhì)耐電壓擊穿的額定值，是其厚度的函數(shù)。

· 可實現(xiàn)的最小電介質(zhì)厚度會影響可實現(xiàn)的最大電容值以及電容器的擊穿電壓。

電容器結(jié)構(gòu)

電容器有多種物理安裝配置，包括軸向、徑向和表面貼裝（圖 2）。

圖 2：電容器安裝或配置類型包括軸向、徑向和表面貼裝。目前，表面貼裝的應(yīng)用非常廣泛。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

軸向電容器采用金屬箔和電介質(zhì)層交替結(jié)構(gòu)，或?qū)㈦p面金屬化的電介質(zhì)卷成圓柱形。與導(dǎo)電極板的連接可以通過插入的凸片或圓形的導(dǎo)電端蓋來實現(xiàn)。

徑向型通常則采用金屬層和介電層交替疊放結(jié)構(gòu)。金屬層在末端橋接在一起。徑向和軸向配置適用于通孔安裝。

表面貼裝電容器同樣采用導(dǎo)電層和介電層交替結(jié)構(gòu)。每一端的金屬層由錫帽橋接，以適合表面貼裝。

電容器電路模型

電容器的電路模型包括所有三種無源電路元件（圖 3）。

圖 3：電容器電路模型包含電容、電感和電阻元件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

電容器的電路模型包含一個串聯(lián)電阻元件，其代表導(dǎo)電元件的歐姆電阻及電介質(zhì)電阻。這稱為等效或有效串聯(lián)電阻 （ESR）。

當(dāng)對電容器施加交流信號時，會產(chǎn)生介電效應(yīng)。交流電壓會使電介質(zhì)的極化在每個周期都會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱。電介質(zhì)發(fā)熱量是材料的函數(shù)，并通過電介質(zhì)的耗散因數(shù)來度量。耗散因數(shù) （DF） 是電容器電容和 ESR 的函數(shù)，可通過公式 2 計算：

公式 2

其中：

XC 是容抗 （Ω）

ESR 為等效串聯(lián)電阻 （Ω）

由于存在容抗，耗散因數(shù)與頻率有關(guān)，并且無量綱，通常用百分比表示。耗散因數(shù)越小，發(fā)熱越少，從而損耗越低。

模型中有一個串聯(lián)電感元件，稱為有效或等效串聯(lián)電感 （ESL）。其代表引線和導(dǎo)電路徑電感。串聯(lián)電感和電容會引起串聯(lián)共振。低于串聯(lián)共振頻率時，器件主要表現(xiàn)為電容行為，高于串聯(lián)共振頻率時，器件更多表現(xiàn)為電感行為。在許多高頻應(yīng)用中，該串聯(lián)電感可能是個問題。供應(yīng)商通過使用徑向和表面貼裝元件配置中所示的分層結(jié)構(gòu)，可最大限度地減少電感。

并聯(lián)電阻代表電介質(zhì)的絕緣電阻。各種模型元件的值取決于電容器配置和所選的結(jié)構(gòu)材料。

陶瓷電容器

這類電容器使用陶瓷電介質(zhì)。陶瓷電容器分為兩類：1 類和 2 類。1 類基于像二氧化鈦這樣的順電陶瓷。這類陶瓷電容器具有高穩(wěn)定性、良好的電容溫度系數(shù)和低損耗。由于固有精度的原因，這些器件可用于振蕩器、濾波器和其他射頻應(yīng)用中。

2 類陶瓷電容器使用基于如鈦酸鋇之類鐵電材料的陶瓷電介質(zhì)。由于這些材料介電常數(shù)高，2 類陶瓷電容器提供了比 1 類電容器更高的單位體積電容量，但精度和穩(wěn)定性較低。它們用于絕對電容值不重要的旁路和耦合應(yīng)用。

Murata Electronics 的 GCM1885C2A101JA16 是陶瓷電容器的一個示例（圖 4）。這款 1 類 100 皮法 （pF） 電容器的容差為 5%，額定電壓為 100 V，采用表面貼裝配置。該電容器適合汽車使用，額定溫度為 -55°C 至 +125°C。

圖 4：GCM1885C2A101JA16 是一款 1 類 100 pF 陶瓷表面貼裝電容器，容差為 5%，額定電壓為 100 V。（圖片來源：Murata Electronics）

薄膜電容器

薄膜電容器使用塑料薄膜作為電介質(zhì)。導(dǎo)電極板既可以是箔層，也可以是兩個薄金屬化層，塑料薄膜每一側(cè)各一層。電介質(zhì)所用的塑料決定了電容器的特性。薄膜電容器有多種形式：

聚丙烯 （PP）：這些器件的容差和穩(wěn)定性特別好，具有低 ESR 和 ESL 以及高額定擊穿電壓。由于電介質(zhì)的溫度限制，它們只能作為引線器件使用。PP 電容器可應(yīng)用于開關(guān)模式電源、鎮(zhèn)流器電路、高頻放電電路等高功率或高壓電路中，也可應(yīng)用于出于信號完整性而重視低 ESR 和 ESL 的音響系統(tǒng)。

聚對苯二甲酸乙二醇酯 （PET）：又稱為聚酯或聚酯薄膜電容器，這些電容器由于具有較高的介電常數(shù)，因此是體積效率最高的薄膜電容器。這些電容器通常作為徑向引線器件使用，用于通用電容應(yīng)用。

聚苯硫醚 （PPS）：這些電容器僅作為金屬化膜器件生產(chǎn)，具有非常好的溫度穩(wěn)定性，因此適用于需要良好頻率穩(wěn)定性的電路中。

PPS 薄膜電容器的一個示例是來自 Panasonic Electronics Corporation 的 ECH-U1H101JX5。該 100 pF 器件的容差為 5%，額定電壓為 50 V，采用表面貼裝配置。工作溫度范圍為 -55°C 至 125°C，適用于一般電子應(yīng)用。

聚萘二甲酸乙二醇酯 （PEN）：與 PPS 電容器一樣，這些電容器只能采用金屬化膜設(shè)計。它們具有高溫耐受性，可采用表面貼裝配置。應(yīng)用集中于需要高溫和高壓性能的領(lǐng)域。

聚四氟乙烯 （PTFE） 或特氟隆電容器因其耐高溫、耐高壓性能而著稱。它們采用金屬化和金屬箔結(jié)構(gòu)生產(chǎn)。PTFE 電容器大多用于需要暴露于高溫的應(yīng)用。

電解電容器

電解電容器以高電容值和高體積效率而著稱。這是通過使用液體電解質(zhì)作為其一個極板來實現(xiàn)的。鋁電解電容器包括四個分開的層：鋁箔陰極；電解液浸漬紙隔離層；經(jīng)過化學(xué)處理以形成非常薄氧化鋁層的鋁陽極；最后是另一個紙隔離層。然后把這些材料層卷起來，放在一個密封的金屬罐中。

電解電容器是極化、直流 （DC） 器件，這意味著電壓必須施加于指定的正負(fù)端子。盡管外殼有泄壓膜片來控制反應(yīng)，并最大限度地減少損害的可能性，但如果不能正確連接電解電容器，可能會導(dǎo)致爆炸性故障。

電解電容器的主要優(yōu)點是高電容值、小尺寸和相對較低的成本。這些電容值具有較寬的容差范圍和相對較高的漏電流。電解電容器最常見的應(yīng)用是用作線性和開關(guān)電源中的濾波電容器（圖 5）。

圖 5：電解電容器示例；所有器件的電容均為 10 微法 （μF）。（圖片來源：Kemet 和 AVX Corp.）

在圖 5 中（從左向右），首先是 Kemet 的 ESK106M063AC3FA，這是一款 10 μF、容差 20%、63 V 的徑向引線鋁電解電容器。工作溫度高達 85°C，工作壽命為 2，000 小時。該電容器適用于通用電解應(yīng)用，包括濾波、去耦和旁路操作。

鋁電解電容器的替代品是鋁聚合物電容器，它用固體聚合物電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)。聚合物鋁電容器比鋁電解電容器具有更低的 ESR 和更長的工作壽命。與所有電解電容器一樣，它們也是極化的，并作為濾波和去耦電容器應(yīng)用于電源中。

Kemet 的 A758BG106M1EDAE070 是一款 10 μF、25 V 徑向引線鋁聚合物電容器，在廣泛的溫度范圍內(nèi)具有更長的壽命和更高的穩(wěn)定性。該器件適用于手機充電器、醫(yī)療電子設(shè)備等工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用。

鉭電容器是電解電容器的另一種形式。該器件在鉭箔上以化學(xué)方式形成一層氧化鉭。其體積效率優(yōu)于鋁電解電容器，但最大電壓水平通常較低。與鋁電解電容器相比，鉭電容器具有更低的 ESR 和更高的溫度耐受性，這意味著它們能夠更好地承受焊接過程。

Kemet 的 T350E106K016AT 是一款 10 μF、容差 10%、16 V、徑向引線鉭電容器。它具有小尺寸、低漏電流和低耗散因數(shù)等優(yōu)點，適合濾波、旁路、交流耦合和定時應(yīng)用。

最后一種電解電容器類型是氧化鈮電解電容器。鈮電解電容器是在鉭短缺的情況下發(fā)展起來的，它以鈮和五氧化二鈮代替鉭作為電解質(zhì)。由于介電常數(shù)較高，其單位電容封裝尺寸較小。

氧化鈮電解電容器的一個示例是來自 AVX Corp. 的 NOJB106M010RWJ，這是一款采用表面貼裝配置的 10 μF、容差 20%、10 V 電容器。與鉭電解電容器一樣，它也用于濾波、旁路和交流耦合應(yīng)用。

云母電容器

云母電容器（多為銀云母）的特點是電容容差小 （±1%）、電容溫度系數(shù)低（通常為 50 ppm/°C）、耗散因數(shù)極低、電容隨施加電壓的變化小。該器件具有緊公差和高穩(wěn)定性，適用于射頻電路。云母電介質(zhì)在兩側(cè)噴涂銀層以提供導(dǎo)電表面。云母是一種穩(wěn)定的礦物質(zhì)，不會與大多數(shù)常見的電子污染物發(fā)生相互作用。

Cornell Dubilier Electronics 的 MC12FD101J-F 是一款 100 pF、容差 5%、500 V 云母電容器，采用表面貼裝配置（圖 6）。該器件用于 MRI、移動無線電、功率放大器和振蕩器等射頻應(yīng)用。額定工作溫度范圍為 -55°C 至 125°C。

圖 6：Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F 是一款面向射頻應(yīng)用的表面貼裝云母電容器。（圖片來源：Cornell Dubilier Electronics）

總結(jié)

電容器是電子設(shè)計中必不可少的元件。多年來，人們開發(fā)出了各種類型的電容器，它們特性各異，有些電容器技術(shù)只是適合特定的應(yīng)用。對于設(shè)計人員來說，值得花時間掌握各種電容器類型、配置和規(guī)格知識，只有這樣才能確保為既定應(yīng)用選擇到最佳的器件。