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電容器是模擬和數字電子電路中必不可少的儲能器件。這些器件可用于定時(shí)、波形生成和整形、阻斷直流、交流信號耦合、濾波與平滑，當然還用于儲能。由于用途廣泛，已經(jīng)出現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(lèi)型。對于這些電容器類(lèi)型，每一種都適用于特定的應用范圍。產(chǎn)品種類(lèi)繁多意味著(zhù)需要花時(shí)間對所有產(chǎn)品進(jìn)行分類(lèi)，以從性能特點(diǎn)、可靠性、使用壽命、穩定性和成本方面為設計找出最佳選擇。 為了正確地將電容器與預期的電路應用相匹配，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(lèi)型的電容器及其特性和關(guān)鍵選擇標準。文中將以 Murata Electronics、KEMET、Cornell Dubilier Electronics、Panasonic Electronics Corporation 和 AVX Corporation 的產(chǎn)品為例，說(shuō)明電容器的主要區別和屬性。 什么是電容器？ 電容器是一種在內部電場(chǎng)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(wú)源電子元件。所有電容器都具有相同的基本結構，兩塊導電極板中間由絕緣體隔開(kāi)，該絕緣體稱(chēng)為電介質(zhì)，可在施加電場(chǎng)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電極板組成，中間用非導電電介質(zhì)隔開(kāi)，電介質(zhì)在兩塊極板之間的電場(chǎng)中以極化區的形式儲存電能。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics） 第一個(gè)電容器是發(fā)明于 1745 年的萊頓瓶。萊頓瓶是一個(gè)內外表面都襯有金屬箔的玻璃瓶，最初用來(lái)儲存靜電荷。本杰明·富蘭克林曾使用萊頓瓶來(lái)證明閃電是電現象，這是最早有記載的應用之一。 基本平行極板電容器的電容值可通過(guò)公式 1 計算：
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 ε 等于電介質(zhì)的相對介電常數 εr 乘以真空的介電常數 ε0。相對介電常數 εr 通常稱(chēng)為介電常數 k。 根據公式 1，電容值與介電常數和極板面積成正比，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為 1，而所有電介質(zhì)的相對介電常數都大于 1，因此插入電介質(zhì)也會(huì )增加電容器的電容值。電容器通常由所用介電材料的類(lèi)型來(lái)指代（表 1）。
表 1：按介電材料分類(lèi)的常見(jiàn)電容器類(lèi)型的特性。（表格來(lái)源：Digi-Key Electronics） 關(guān)于列表條目的一些說(shuō)明： · 電容器的相對介電常數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。 · 可實(shí)現的最小電介質(zhì)厚度會(huì )影響可實(shí)現的最大電容值以及電容器的擊穿電壓。 電容器結構 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(lèi)型包括軸向、徑向和表面貼裝。目前，表面貼裝的應用非常廣泛。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics） 軸向電容器采用金屬箔和電介質(zhì)層交替結構，或將雙面金屬化的電介質(zhì)卷成圓柱形。與導電極板的連接可以通過(guò)插入的凸片或圓形的導電端蓋來(lái)實(shí)現。 徑向型通常則采用金屬層和介電層交替疊放結構。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電層和介電層交替結構。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(wú)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(lái)源：Digi-Key Electronics） 電容器的電路模型包含一個(gè)串聯(lián)電阻元件，其代表導電元件的歐姆電阻及電介質(zhì)電阻。這稱(chēng)為等效或有效串聯(lián)電阻 (ESR)。 當對電容器施加交流信號時(shí)，會(huì )產(chǎn)生介電效應。交流電壓會(huì )使電介質(zhì)的極化在每個(gè)周期都會(huì )發(fā)生變化，從而導致內部發(fā)熱。電介質(zhì)發(fā)熱量是材料的函數，并通過(guò)電介質(zhì)的耗散因數來(lái)度量。耗散因數 (DF) 是電容器電容和 ESR 的函數，可通過(guò)公式 2 計算：
其中： XC 是容抗 (Ω) ESR 為等效串聯(lián)電阻 (Ω) 由于存在容抗，耗散因數與頻率有關(guān)，并且無(wú)量綱，通常用百分比表示。耗散因數越小，發(fā)熱越少，從而損耗越低。 模型中有一個(gè)串聯(lián)電感元件，稱(chēng)為有效或等效串聯(lián)電感 (ESL)。其代表引線(xiàn)和導電路徑電感。串聯(lián)電感和電容會(huì )引起串聯(lián)共振。低于串聯(lián)共振頻率時(shí)，器件主要表現為電容行為，高于串聯(lián)共振頻率時(shí)，器件更多表現為電感行為。在許多高頻應用中，該串聯(lián)電感可能是個(gè)問(wèn)題。供應商通過(guò)使用徑向和表面貼裝元件配置中所示的分層結構，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構材料。 陶瓷電容器 這類(lèi)電容器使用陶瓷電介質(zhì)。陶瓷電容器分為兩類(lèi)：1 類(lèi)和 2 類(lèi)。1 類(lèi)基于像二氧化鈦這樣的順電陶瓷。這類(lèi)陶瓷電容器具有高穩定性、良好的電容溫度系數和低損耗。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用中。 2 類(lèi)陶瓷電容器使用基于如鈦酸鋇之類(lèi)鐵電材料的陶瓷電介質(zhì)。由于這些材料介電常數高，2 類(lèi)陶瓷電容器提供了比 1 類(lèi)電容器更高的單位體積電容量，但精度和穩定性較低。它們用于絕對電容值不重要的旁路和耦合應用。 Murata Electronics 的 GCM1885C2A101JA16 是陶瓷電容器的一個(gè)示例（圖 4）。這款 1 類(lèi) 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(chē)使用，額定溫度為 -55°C 至 +125°C。
圖 4：GCM1885C2A101JA16 是一款 1 類(lèi) 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(lái)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)。導電極板既可以是箔層，也可以是兩個(gè)薄金屬化層，塑料薄膜每一側各一層。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(xiàn)器件使用。PP 電容器可應用于開(kāi)關(guān)模式電源、鎮流器電路、高頻放電電路等高功率或高壓電路中，也可應用于出于信號完整性而重視低 ESR 和 ESL 的音響系統。 聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)：又稱(chēng)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，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(xiàn)器件使用，用于通用電容應用。 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定性，因此適用于需要良好頻率穩定性的電路中。 PPS 薄膜電容器的一個(gè)示例是來(lái)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計。它們具有高溫耐受性，可采用表面貼裝配置。應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(zhù)稱(chēng)。它們采用金屬化和金屬箔結構生產(chǎn)。PTFE 電容器大多用于需要暴露于高溫的應用。 電解電容器 電解電容器以高電容值和高體積效率而著(zhù)稱(chēng)。這是通過(guò)使用液體電解質(zhì)作為其一個(gè)極板來(lái)實(shí)現的。鋁電解電容器包括四個(gè)分開(kāi)的層：鋁箔陰極；電解液浸漬紙隔離層；經(jīng)過(guò)化學(xué)處理以形成非常薄氧化鋁層的鋁陽(yáng)極；最后是另一個(gè)紙隔離層。然后把這些材料層卷起來(lái)，放在一個(gè)密封的金屬罐中。 電解電容器是極化、直流 (DC) 器件，這意味著(zhù)電壓必須施加于指定的正負端子。盡管外殼有泄壓膜片來(lái)控制反應，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(huì )導致爆炸性故障。 電解電容器的主要優(yōu)點(diǎn)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(jiàn)的應用是用作線(xiàn)性和開(kāi)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(lái)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(xiàn)鋁電解電容器。工作溫度高達 85°C，工作壽命為 2,000 小時(shí)。該電容器適用于通用電解應用，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(cháng)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用于電源中。 Kemet 的 A758BG106M1EDAE070 是一款 10 μF、25 V 徑向引線(xiàn)鋁聚合物電容器，在廣泛的溫度范圍內具有更長(cháng)的壽命和更高的穩定性。該器件適用于手機充電器、醫療電子設備等工業(yè)和商業(yè)應用。 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(zhù)它們能夠更好地承受焊接過(guò)程。 Kemet 的 T350E106K016AT 是一款 10 μF、容差 10%、16 V、徑向引線(xiàn)鉭電容器。它具有小尺寸、低漏電流和低耗散因數等優(yōu)點(diǎn)，適合濾波、旁路、交流耦合和定時(shí)應用。 最后一種電解電容器類(lèi)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(lái)的，它以鈮和五氧化二鈮代替鉭作為電解質(zhì)。由于介電常數較高，其單位電容封裝尺寸較小。 氧化鈮電解電容器的一個(gè)示例是來(lái)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、旁路和交流耦合應用。 云母電容器 云母電容器（多為銀云母）的特點(diǎn)是電容容差小 (±1%)、電容溫度系數低（通常為 50 ppm/°C）、耗散因數極低、電容隨施加電壓的變化小。該器件具有緊公差和高穩定性，適用于射頻電路。云母電介質(zhì)在兩側噴涂銀層以提供導電表面。云母是一種穩定的礦物質(zhì)，不會(huì )與大多數常見(jiàn)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(dòng)無(wú)線(xiàn)電、功率放大器和振蕩器等射頻應用。額定工作溫度范圍為 -55°C 至 125°C。
圖 6：Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F 是一款面向射頻應用的表面貼裝云母電容器。（圖片來(lái)源：Cornell Dubilier Electronics） 總結 電容器是電子設計中必不可少的元件。多年來(lái)，人們開(kāi)發(fā)出了各種類(lèi)型的電容器，它們特性各異，有些電容器技術(shù)只是適合特定的應用。對于設計人員來(lái)說(shuō)，值得花時(shí)間掌握各種電容器類(lèi)型、配置和規格知識，只有這樣才能確保為既定應用選擇到最佳的器件。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Art Pini |
