无源器件-电容

电容器件的参数

基本概念由中学大学物理或电路分析内容获得，此处不做过多分析。

电容的产量占全球电子元器件产品的40%以上。

单位：法拉 F；1F=10^6uF；电路中常见的104电容就是10*10^4pF=100nF=0.1uF

C为电容，Rp为绝缘电阻和介质损耗，ESR为等效串联电阻.ESL为等效串联电感。

C为所需电容.Cp为等效并联电容，ESR为等效串联电阻.ESL为等效串联电惑。

电容的一些参数：

容量和误差：

实际容量和标称容量允许的最大偏差范围。电容的容值是在一定频率和偏压下测得的，实际使用时需注意使用环境和电容数据手册中容量的额测量环境的差异。

额定工作电压：电容器在电路中长期稳定工作，所承受的最大直流电压

绝缘电阻：表示漏电大小，一般绝缘电阻越大越好，漏电也小，电解电容的绝缘电阻一般比较小。

有极性的不能反接，（反向漏电阻很小，容易烧坏）

正切损耗角:在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量。

电容的Q值与损耗角

，Q值可以采用如下方法来表示，即Q=无功功率/有功功率，也可以采用如下方法来表示，即Q特性阻抗/回路电阻，Q值越大，损耗越小，效率越高：Q值越大，谐振器的频率稳定度越高，谐振器的振荡频率越高。

温度系数：在一定温度范围内，温度每变化1℃，电容量的相对变化值。温度系数越小越好。

频率特性：电容器的电参数随电场频率而变化的性质。在高频条件下工作的电容器，由于介电常数在高频时比低频小，电容量也相应减小，损耗随频率的升高而增加

等效串联电阻ESR、等效串联电感ESL：

电容的等效阻抗Z在谐振频率处最小，谐振频率点之前电容呈容性，谐频率点之后电容呈感性

电容发热的主要原因：纹波电压，电容内部存在寄生电阻（ESR）和寄生电感（ESL。电容的自发热大小与纹波电压的频率有关。纹波电压造成的发热量是DC漏电流造成的发热量的1000倍，所以，正常情况下DC漏电流造成的发热可以忽略不计。

相位角：当交流电流过电容时，电容两端的电压相位会滞后电流90：当交流电流过电感时，电感两端的电压相位会超前电流90。由于电容有寄生电感（ESL），因此其相位角往往也不是理想值，会有一定的编差。

损耗因数：用字母DF表示。因为电容的泄漏电阻，ESR和ESL三个指标很难分开，所以许多电容制造厂家将它们合并成一个指标，称为损耗因数，定义为电容每周期损耗能量与储存能量之比，又称为损耗角正切。损耗角正切值表示为tanδ。把ESR同容抗1/wC之比称为tanδ，简化模型下损耗因数的计算公式为

DF=tanδ（损耗角）=ESR/XC=2paifC·ESR

品质因数：Q值越大越好。Q值即品质因数，表征储能器件（电容、电感等）或储能电路（谐电路等）在一个周期内所存储的能量与所消耗的能量的比值，是一种质量指标，器件或电路的Q值越大，则该器件或电路的性能越优。Q=cotanδ=1/DF。是损耗因数的倒数。

谐振频率点：

Q值等于电容的储存功率与损耗功率之比，即

在RLC串联电路中，当虚部等于0时，阻抗最小，发生串联谐振。

RLC串联，通过的电流是一样的，只是L和C上的电压相等，方向刚好相反，相互抵消。

Q称为品质因数，在谐振时LC串联之路对外相当于短路，但当Q值很大时，会在电感和电容两端出现大大高于外施电压U的高电压。

如果忽略电极间的泄露，即Rp的阻抗无穷大（或远远大于ESL和ESR的阻抗），那可以等效为RCL串联三元模型。

小于自谐振频率时，电容呈电容特性；大于自谐振频率时，电容发生极性转化，呈现电感特性。相位从-90°跳变到+90°。

纹波电流和纹波电压：电容所能耐受的纹波电流值和纹波电压值。

电容器件分类

薄膜电容（应用很少），用于安规电容

薄膜电容的结构与纸质电容相似，但其用聚酯，聚苯乙烯等低损耗材料作为电介质，薄膜电容的频率特性好，介电损耗小，不能实现很大的电容量，耐热能力差，主要用于滤波器，积分，振荡，定时电路等。

（1）聚酯（涤纶）电容（CL）。

电容量：40pF~4pF

额定电压：63-630V

主要特点：体积小，容量大，耐热耐湿，稳定性差。

应用：对稳定性和损耗要求不高的低频电路

（2）聚苯乙烯电容（CB）

电容量：10pF-1pF

领定电压：100V~30kV

主要特点：稳定性好，损耗小，体积较大

应用：对稳定性和损耗要求较高的电路

（3）聚丙烯电容（CBB）。

电容量：1000pF-10pF

额定电压：63~2000V

主要特点：性能与聚苯乙烯电容相似，但体积小，稳定性略差。

应用：代替大部分聚苯乙烯电容或云母电容，用于要求较高的电路。

4.陶瓷电容

陶瓷电容按结构的不同可分为单层陶瓷电容（瓷片电容）和独石电容。

区别是：独石电容是由多层介质和多对电极构成的：而瓷片电容一般是由一层介质和一对电极构成的。

瓷片电容常用作安规电容。

独石电容MLCC

独石电容和瓷片电容的外观区别是：独石电容由陶瓷贴片电容焊引线后烧结面成，一般是方形；而瓷片电容是片状，大多是圆片形状。

从容量和耐压上看，独石电容和瓷片电容的区别是：同体积下，独石电容的电容量远远大于瓷片电容的电容量，而瓷片电容的耐压高于独石电容的耐压

用途分类

按结构分类，可分为固定电容，可变电容和微调电容

按用途分类，可将电容大致分为旁路电容，滤波电容，调谐电容、耦合电容，去耦电容和储能电容等

旁路电容：将别人产生的干扰滤除，防止进入自身。

去耦电容：将自身需要的电源波动由去耦电容提供，防止波动干扰其他。

滤波电容：理论上来说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。大电容滤低频（铝电解电容有很大的电感部分），小电容滤高频电容。一个电容量较大的电解电容并联了一个小电容。

耦合电容：通交隔直。

调谐电容：调谐就是调节一个振荡电路的频率，使其与另一个正在发生振荡的电路（或电磁波）发生谐振。

储能电容：大电容、超级电容等大容量电容。

其他材质的电容：纸质电容、微调电容、玻璃釉电容等。

常用的几种电容

固体铝电解电容：85%小于10V，70%小于25V，60%大于25V；脉冲电流：小于10A或10倍额定纹波电流，取较小者。纹波电流：70%

薄膜电容：安规薄膜电容（专指X、Y电容），耐压Y电容100%，X电容按工频电网标称电压值选取。

MLCC

MLCC是目前世界上使用量最大的电容，其具有标准化封装，尺寸小，适用于高密度贴片场景。

特点：体积小，容量大，机械强度高，耐湿性好，内感小，高频特性好、可靠性高等一系列优点。

电容量：0.5pF-100uF

耐压：2倍额定电压

在一些小电流低电压的开关电源的输入，输出端会选择MLCC代替铝电解电容和坦电解电容。同时，由于MLCC具有低ESR，因此其作为电源输出滤波时效果相对较好，对纹波电压（Ripple Voltage）的抑制比较有效，电容ESR特性曲线如图24.3所示

MLCC温度稳定性差、电容值会随着直流电压的增大而减小、MLCC封装大易应力失效。

Ⅰ类电容和Ⅱ类电容填充介质不同，电容率不同。

Ⅰ类电容：

优势：电气性能最稳定,基本上不随温度、电压、时间的改变、低损耗电容材料类型；

缺点：因电容率低不能具有太大容量；

用途：常用于温度补偿，高频电路和滤波器电路等。

例子：晶振旁边放NP0电容

C0G是NP0Ⅰ类陶瓷电容中温度稳定性最好的一种，温度特性近似为0，满足“负-正零“（NP0）的含义。

Ⅱ类电容：优点：电容率高能够具有大容量；缺点：由温度引起的容量变化大；使用最多的电容。

X7R，建议最大47uF，性能较稳定，随温度、电压时间的改变,其特有的性能变化并不显著,属稳定电容材料类型，使用在隔直流、耦合、旁路、滤波电路及可靠性要求较高的中高频电路中。

X5R，建议最大220uf。常用于生产容量较大的电容。其容量较X7R更高，但稳定性更敏感。

陶瓷电容NPO、X7R、X5R 耐压按60%

铝电解电容（电解液电容）：

电容量：0.47μF-10000μF

额定电压：6.3-450V

主要特点：体积中等，容量大，损耗大，漏电流大，耐压高

能耐260度的温度。

缺点：电解液会干涸，寿命比较短，且ESR比较大，温度特性差。

应用：储能、电源滤波，低频合、旁路等

固体铝电容：比铝电解电容寿命长，更可靠，一般情况下不适用。

钽电容（MnO2固体电容）：

钽电解电容用钽作正极，电解质使用固体MnO2。钽电解电容的温度特性，频率特性和可靠性均优于普通电解电容，特别是漏电流小，储存性良好，寿命长，容量误差小，而且体积小，单位体积下能得到最大的电容电压乘积。

电容量：47uF~1000uF。

额定电压：6.3~125V

主要特点：体积小，损耗小，漏电流小，ESR小，温度性能好

能耐500度的温度

缺点：其对脉动电流的耐受能力差，若损坏则易呈短路状态；失效模式下容易产生高温爆炸。

应用：不适合用在接口上，陶瓷电容和铝电解电容不满足的情况下才考虑钽电容，一般情况下不使用。

降额标准：耐压50%降额使用；电压变化率：80%；纹波电流：60%

高分子聚合物电容（包含钽电容、铝电容）：性能很好，但价格相对高。

高分子聚合物电容在额定电压范围内降额80%使用。.具有极低的ESR.降低纹波电压能力强，允许通过更大的纹波电流，聚合物片式叠层铝电解电容在高额下，阻抗曲线呈现近似理想电容特性：在频率变化情况下，电容量非常稳定。

电容选用原则：

电容容量需求在100uF以下，且1206及以下尺寸的封装能满足耐压需求的场景，则优选MLCC，如果电容容量或耐压需求增加，只有1206以上封装的MLCC满足需求，这时才选用钽电容

针对钽电容的各种风险和缺点，目前一般选择高分子聚合物固体铝电解电容作为大容量低耐压MnO2电容的替代产品.

一般来说，开关电源的输出端电容一般在100uF以上，使用MLCC封装会进一步变大，更容易应力失效。并且MLCC的温度稳定性差，电容值会随着直流电压的增大而减小，所以，开关电源输出电容一般不推荐选用MLCC，另外，输出端电容的电容值很可能需要数百甚至数千微法拉，如果使用MLCC，则往往会由于其单体容量有限，达不到滤波效果。所以，在大电流开关电源的输出电容应用场景仍然大量使用铝电解电容和钽电解电容

电容器件选型

电容器件应用案例与选型

串联谐振频率（fsr）和并联谐频率（fpr）。由电容的高频等效电路出发.首先讨论电容的两个谐振频率：串联谐振频率和并联谐振频率。此阻抗的幅值|Z|以与频率的关系可以从以下几方面考虑：由于Cp值非常小，因此在频率不高时可以暂时不考虑，此时，电路就是简单的串联RCL电路.其谐振发生在XL=Xc时，即wLs=1/wC，当频率继续升高时（大于ws）电容对外已经表现为一个小电感，此小电感随着频率升高而逐渐变大，当其XL与等效并联电容Cp的Xc相等时，电容就发生并联谐振，此频率称为第一并联谐振频率，频率继续升高，电容的阻抗频率特性更复杂，会发生第二并联谐振、第三并联谐振等。

尽量统一选用型号，检视选用型号数量，选择业界主流厂家主流出货的型号，保证电容件选型归一化；额定工作电压和标称容量优选标准值；尽量选用之前项目已经用过的电容型号，避免选用新的型号；满足降额标准，根据降额标准，计算寿命是否满足单板需求。

安规电容

安规电容：业内一般将抑制电源电磁干扰用的固定电容称为安规电容，因为这类电容通过了安全规范测试认证，符合安全规范，符合多个国家的安全认证标准并印有相应的logo。

安规就是安全规范，是对产品设计和产品规格的约束和指导。提出安规是为了免由于设计不良或使用不当而导致电击，能量（打火拉弧/爆炸），火灾，辐射、机械与热/高温危险，化学危险等事故和灾害，因此要求生产厂商尽可能给用户提供具有安全，高品质的产品，保护使用者与操作者的人身和财产安全。

”安规”体现在：电容失效后不会导致电击，不会危及人身安全。此外安规电容采用阻燃材料制造，电容故障时最多只是炸裂，可能产生气体，但不会产生明火，不会引发火灾。

安规电容丝印的含义

1.KNSCHA 安规电容厂商的LOGO；

2.MPX/MKP安规电容的系列型号、X2安规电容的认证类别；

3.104 电容标称容量  优选E6数系：1、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8及其10的整数倍容量值；

4.K 容量允许偏差：K级为±10%，J级为±5%，M级为±20%。IEC60384-14标准默认公差为±20%，一般选用K级。

5.275VAC 305VAC 310VAC 额定电压及电源性质（交流电压可用符号“~”表示），一般使用额定电压值为250VAC、275(280)VAC、305(310)VAC、440VAC、760VAC，电容的额定电压应大于系统电压，实际应用时应进行降额设计；

6.40/110/56 气候类别  B 阻燃等级   下限温度为-40℃，上限温度为110℃.稳态湿热试验持续时间56天，依据IEC60384-14标准，稳态湿热试验持续时间分为21天和56天，默认为21天，一般气候类别后紧跟一个字母表示阻燃等级。限燃等级通过针焰燃烧试验结果判定，总共有A、B和C三个等级，IEC60384-14标准默认为C级

7.国家安规认证标志

8.IEC60384-14Ⅱ 电容产品制造执行标准。

        安规电容通常只用于抗干扰电路中的滤波，它们用在电源滤波器中起到电源滤波作用，分别对共模，差模干扰起滤波作用，例如，当在电源跨线电路中使用电容来消除噪声时，不仅仅只有正常电压，还必须考虑到异常的脉冲电压（如闪电）的产生，这可能会导致电容冒烟或起火，所以，跨线电容必须使用安规电容，通常，出于安全考虑和EMC考虑，一般在电源入口加上安规电容。

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根据IEC60384-14标准，安规电容分为X电容和Y电容.X电容是指L-N之间的电容，Y电容是指L-G或N-G之间的电容。

安规电容的分类：

注释：D Double Insulation，双绝缘类型；R Reinforce Insulation，加强绝缘类型；S Supplementary Insulation 附加绝缘类型；B  Base Insulation 基本绝缘类型。

X电容一般都标有安全认证标志和耐压AC250V或AC275V字样，但从表中可以看到其真正的耐压规格高达2.5kV（X2）。所以，不能使用标称耐压为AC250V或DC400V之类的普通电容来代替X电容。

通常，X电容多选用纹波电流比较大的聚酯薄膜类电容，这种类型的电容体积较大，但其允许瞬间充放电的电流也很大，而其内阻相应较小，普通电容纹波电流的指标很低，动态内阻较大，用普通电容代替X电容，除电容耐压无法满足标准外，纹波电流指标也难以符合要求根据实际需要，X电容的容值允许比Y电容的容值大，但此时必须在X电容的两端并联一个安全电阻，防止拔掉电源线时由于该电容的放电过程太慢而导致电源线插头长时间带电，安全标准规定，当正在工作中的机器电源线被拔掉时，在2s内，电源线插头两端带电的电压（或对地电位）必须小于原来额定工作电压的30%。

Y电容的外观一般为橙色或蓝色，有CE、UL等标志和AC耐压字样，从表中可以看到，Y电容真正的耐压规格高达5kV（Y2）。所以，不能使用标称耐压为AC250V或DC400V之类的普通电容来代替Y电容。

在额定频率及额定电压作用下，为了控制流过Y电容的漏电流和EMC指标，Y电容的电容量一般不能大于0.1uF，一般情况下，在亚热带场景，要求设备对地漏电电流不能超过0.7mA：在温带场景，要求设备对地漏电电流不能超过0.35mA，因此，Y电容的总容量一般不能超过4700pF。除耐压和容量方面的要求外，Y电容在电气和机械性能方面也应有足够的安全余量，避免在极端恶劣的场景下发生击穿短路。

Y1属于双绝缘电容，用于跨接一次侧和二次侧：Y2属于基本绝缘电容，用于跨接一次侧和保护地。

X电容与Y电容的区别：X电容的作用是抑制差模干扰，Y电容的作用是抑制共模干扰，X电容一般选用耐纹波电流比较大的聚酯薄膜类电容，这种类型的电容体积较大，内阻小，允许瞬间充放电的电流很大：Y电容一般选用高压瓷片电容。

安规电容的使用注意事项：

1.安规电容使用时必须满足耐压要求，如果电压超规格，期可以使用完全一致的电容串联来均压。

2.安规电容不能超温度规格使用，其中，Y电容需要特别注意的是，UL认证时的温度最高只能为85℃，这是由于UL标准最高只进行85℃的测试：但是，欧洲认证的温度往往较高，目前UL同意采用欧洲认证的Y电容温度作为最高使用温度

安规电容的选择：安规电容应根据电路的温度，工作电压，过电压等级来选择，其中，在逆变器场景，需要重点关注绝缘要求，如基本绝缘，附加绝缘，双绝缘，加强绝缘等。