CAPACITORS「电容」

单位

$F$ -> $\mu F$ -> $n F$ -> $p F$

数据手册部分解读

命名规则

命名规则

本质上和电阻差不多，看各家生产厂家的风格。

RATED VOLTAGE （额定电压）：这里体现的是常见的电压：6.3 V 、10 V 、16 V 、25 V 、50 V

构造（construction）

构造

陶瓷电容两类对比与温度参数

Ⅰ类陶瓷的温度特性怎么表示：

Ⅰ类陶瓷

Ⅱ类陶瓷的温度特性怎么表示：

Ⅱ类陶瓷

多层片式电容器的阻抗ESR与频率特性

（Impedance ESR vs. frequency characteristics for multilayer chip capacitors）

多层片式电容器的阻抗ESR与频率特性

上图最低点与虚线交汇处就是阻抗特性最低时电容等效阻抗值。该点左侧呈现容性$\vert Z\vert = \frac{1}{\omega C}$，而右侧呈现电感特性$\vert Z\vert = \omega L$。

下面给出一幅图更加直观

实际电容器的|Z|/ESR频率特性(例)

阻抗特性

低频率范围：
低频率范围的|Z|与理想电容器相同，都与频率呈反比趋势减少。ESR值也显示出与电介质分极延迟产生的介质损耗相应的特性。

共振点附近：
频率升高，则|Z|将受寄生电感或电极的比电阻等产生的ESR影响，偏离理想电容器（红色虚线），显示最小值。|Z|为最小值时的频率称为自振频率，此时|Z|=ESR。若大于自振频率，则元件特性由电容器转变为电感，|Z|转而增加。低于自振频率的范围称作容性领域，反之则称作感性领域。
ESR除了受介电损耗的影响，还受电极自身抵抗行程的损耗影响。

高频范围：
共振点以上的高频率范围中的|Z|的特性由寄生电感(L)决定。高频范围的|Z|可由公式(2)近似得出，与频率成正比趋势增加。
ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响。

工作原理讲解

等效电路

事实上的电容并非电路原理所讲的理想电容，去了理想化后等效电路如下：

等效电路

该电路也是典型的RCL串联电路，在电路中用到的复数中有提到典型的RCL电路的分析。如上图，ESR指的是等效电阻，若不考虑感抗和容抗的影响，电容本生呈现的电阻值是虚线表示。频率相对低的情况下，电容呈现容性，准确来说更接近理想电容。而频率相对高的情况下，电容呈现电感特性，ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响，而这就是为什么高频时电极先受到损伤。

回忆穿插：还记得高中学习的电容隔直通交吗，直流频率较低，交流频率高，上图用频率和阻抗关系直观展示了其特性。

阻抗(容纳)的计算方法

电路中用到的复数中简单讲解了复数计算过程，但细致的原理没有讲到，这里简单介绍一下。

电纳（电抗）计算方法：

前提：对于任意交流信号，均能通过傅里叶级数展开成N个标准正弦函数的和，假设正弦电流有：

$i(t) = I_M\sin(\omega t + \varphi)\tag{1}$

代入Euler

$e^{j(\omega t + \varphi)} = \cos (\omega t + \varphi)+ \sin (\omega t + \varphi)$

此时正弦函数和复变函数有了一一对应关系

$\cos (\omega t + \varphi)=Re[e^{j(\omega t + \varphi)}]$

$\sin (\omega t + \varphi)=Im[e^{j(\omega t + \varphi)}]$

因此(1)式可以写成

$i(t)=Im[I_Me^{j(\omega t + \varphi)}]$

$i(t)=Im[\sqrt{2} \dot Ie^{j\omega t}]$

其中

$\dot I = I e^{j\varphi} = I \angle \varphi$

需要指出，相量是正弦量的变换式，而不是正弦量本身，它不等于正弦量。正弦量是时间域的概念，而相量是频域的概念。

此时，$\omega t$是关于t的函数，那么$e^{j\omega t}$就是以角速度$\omega$逆时针旋转的单位长度的有向线段，称为旋转因子。向量$\dot I$ 乘$\sqrt{2}$乘旋转因子得到的就是旋转向量。那么他是一个长度为$I_M$、以角速度$\omega$逆时针旋转的有向线段。

一一对应关系

假设在电容两端加入一个u

$u = \sqrt 2 U \sin(\omega t + \varphi_u)$

那么i有

$i = C \frac {du}{dt}=\sqrt 2 I \sin(\omega t + \varphi)$

上式中：

$I = \omega CU,\varphi_i = \varphi_u + \frac{\pi}{2}$

因此

$\dot I = j \omega C \dot U$

$\dot U = j X_c \dot I$

其中（这就是电容电纳，容纳）

$X_C = -\frac{1}{\omega C}$

同理电感（电感电抗，感抗）

$X_L = {\omega L}$

均满足

$Z = \frac{\dot U}{\dot I}=\lvert Z \rvert \angle \varphi$

上述过程得出为什么阻抗是一个带有虚部单位j的复数。在电路解析中可以通过j看出两个波形相对超前滞后多少度。

整体来看，复阻抗实部的意义是等效电阻，虚部则表示电抗大小。电抗越大，对于交流电的阻碍也就越大

$Z = R+ j X$

工程中的应用

电容器的分类

电容器有着各式各样的种类。如图1所示，电容器以生产材料可划分为陶瓷电容器、钽电解电容器、铝电解电容器等。特别是多层陶瓷电容器，体积虽小但容量大，经常被用于去藕、电源电压的平滑化、滤波等各种电路中。最近已成了提升手机、电视机性能所不可缺少的元件。

电容分类

常见参数特性优劣

如需详细了解电容可以参考这份规格书，这份是村田电容产品介绍，详细列举了各类电容，打开商城后点击下载数据手册即可
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在各个频率中

频率特性【电容器指南-村田】

从侧面观看典型的母板时的概略图。无源元件就这样被配置在CPU和DC-DC转换器等有源元件的周围。为了让电子设备正常工作，基本上需要满足目标阻抗。为此，要组合并配置各种类型的电容器。

在接触产品电路设计后，听到layout提到的最多的就是阻抗匹配，阻抗匹配的是什么，就是让整个线路既不呈现感性，也不呈现容性，功耗控制到最低，信号质量达到最优。

各类电容器特点

电容器特点【电容器指南-村田】

电容器的特性比较【电容器指南-村田】

Tips：
通常情况下，这几个符号用于评价事物的适合程度：

符号	含义
◎(にじゅうまる)	非常适合，强烈推荐
○(まる)	适合
△(さんかく)	带条件的适合，往往包含一些限制
×(ばつ)	不适合

另外，如果是进行进度管理，这几个符号还可以表示以下意思：

符号	含义
◎(にじゅうまる)	按计划进行中，非常“顺调”
○(まる)	按计划进行中，基本没有问题
△(さんかく)	推进中有课题，但理论上可以解决并在后期挽回进度
×(ばつ)	推进中有大课题，进度延迟已无可挽回。 需要向上エスカレーション，并且需要高层级的调整

参考自双线空心圆、单线空心圆和空心三角形被日本人用来表示“适宜程度”的时候，分别代表什么意思？

关于ESR

一般而言，电容器的ESR和阻抗越低，在实际电路中的平滑特性和瞬态响应特性就越好。

ESR

这里显示了因纹波电流而产生的电容器发热特性。温度上升越平缓和稳定，电容器的特性越好。发热的程度取决于ESR和电容器的体积，发热过度可能会影响可靠性和寿命。

比较温度上升10°C时可以流过多少电流可以发现：
MLCC>多层聚合物铝电解电容器（ECAS系列）>其他聚合物电容器（ECAS系列）>铝电解电容器（液体电解质型）>钽电解电容器（二氧化锰型）。

一般而言，MLCC的发热量非常少，因此很少有将发热量作为规格保证的情况，而包括聚合物电容器在内的电解电容器无法忽视发热量的影响，因此，一般会对每种类型的发热量进行规定。

根据纹波电流看电容器的发热特性

关于温度特性

下图显示静电容量的温度特性。全固态聚合物电容器和二氧化锰型钽电解电容器的静电容量即使在温度变化时也不会发生太大变化，而一般的铝电解电容器使用的是液体电解质（电解液），因此在低温下难以产生静电容量。MLCC的温度特性也因使用的电介质类型而异，静电容量与温度有关。（实际使用电容器时，请将包括本身发热部分在内的电容器表面温度保持在最高使用温度105°C以下）。

Tips：静电容量表示电容器等能够蓄积多少电荷的量

电容的温度特性

关于DC偏压特性

下图显示了DC偏压特性的比较结果。包括聚合物电容器在内的电解电容器的介电常数不会因施加的电压而改变，因此静电容量即使在施加电压时也不会改变。电解电容器的优点是静电容量即使在施加额定电压时也不会改变。虽然会因所使用的电介质种类而存在差异，但MLCC确实容易因施加直流电压而引起结构失真，静电容量具有依赖于DC偏压的倾向，特别是在使用具有高介电常数的电介质时。

电容的DC偏压特性

电路中的应用

常见的有滤波，去偶，延时等

同样引用村田的指南：（生产电容的厂家，当然对电容熟悉啦）

电容的应用

上图清晰展示了所有滤波相关的应用，如DCDC电压毛刺、不理想的控制信号（硬件消抖）、除去IC输入高频噪声等

缝合电容

这里涉及到高速信号的知识

一个不良的信号返回路径是造成噪声耦合和EMI问题的重要原因。因此，在PCB走线的时候需要时刻考虑信号电流的返回路径。当然，电源线和低速信号只需做到尽量短即可（减小电阻）。高速的信号在布线时需保证信号线下方的铜皮不发生割裂的情况。

对于换层而言，信号换层后参考层发生变化，这时可以简单的打孔，将不同的参考地连接在一起，以减少返回路径距离。

对于信号跨过其他的铜皮区块时，回路会绕过铜皮转一圈，这就会导致信号的返回路径变长，可通过改变信号使得信号绕道或者给两个不同的电源层铜皮之间连上缝合电容。

缝合电容

信号绕道

缝合电容

延时

延时对于单片机和嵌入式来说比较少接触，虽然延时很好理解。在如FPGA、CPU等复杂芯片中，时序是非常重要的一项，时序代表着芯片启动的过程，需要逐一打开相应模块的电源以及寄存器和运算器。CPU和FPGA等都是由二进制逻辑电路构成，可以想象，时序中每一步都需要按照特定的时间在特定的位置打开或者关闭相应的MOSFET，而外部电路延时就可以保证CPU或者fpga在做完完整操作后再继续执行下一步操作，这就是硬件延时。

自举电容

自举电容是利用了电容的特性——瞬态电压不可变。我在DCDC电路学习笔记步骤三有提及到他的原理。

去耦合

交变电流在传输的过程中会对其他线路产生耦合效应，去耦合就是将这些不必要的交流信号滤除，在线路上将电容接地，交流信号会随着电容流向地，则输出信号就为稳定的直流信号。

高通低通滤波器

这里给出一篇文章，原文有较为详细的说明。

高通、低通、带通 三种滤波器的工作原理

服务器存储

看过服务器存储板卡的都知道，除了板上有FPGA和存储颗粒之外，还有大量的MLCC电容，这些电容是存放电能，让服务器异常断电时能够将数据存储以保证数据不会丢失和出错。如同DCDC，DCDC本质是高速变化的，电源产生的噪声相当大，这时也需要利用到电容的性质将纹波滤除，得到干净的电压信号。

参考链接：

1. 详细解解读贴片电容：NP0、C0G、X7R、X5R、Y5V、Z5U的区别「知乎」
2. 电容的阻抗跟频率有关系吗?电容ESR/ESL的关系分析
3. 电容器阻抗/ESR频率特性是指什么？
4. 聚合物电容器的基础何为聚合物电容器？
5. PCB信号集中换层「CSDN」
6. PCB设计-规划良好的信号返回路径「CSDN」

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