器件原厂讲解电容的特性原理

1、电电 容容 器器 与与 特特 性性陈由雄福建国光电子科技有限公司福建国光电子科技有限公司 电解电容器介绍电解电容器介绍 电容器主要参数电容器主要参数电解电容器特性比较电解电容器特性比较电容器简介电容器简介 电电 容容 器器 简简 介介电容器电容器 电容器是最基本的电子元件之一，是无源元件。 所谓电容器(capacitor)就是能够储存电荷的“容器”。只不过这种“容器”储存的是一种特殊的物质-电荷(charge)，而且其所存储的正负电荷等量地分布于两块不直接导通的导体板上。我们可以这样描述电容器的基本结构：两块导体板（通常为金属板）中间隔以电介质(dielectric)，即构成电容器的基本模型。

2、 电容器电容器（capacitor）：能够储存电荷(charge)的“容器”。 结构结构：两块导体板中间隔以电介质(dielectric) 。 特性特性：通交流、阻直流。 作用作用：滤波、旁路、耦合、去耦、储能、调谐、计时、 转相、温度补偿。 工作原理工作原理如图，为一个平板电容器，当在平板两端加上电压时，与电源正极相接的极板带上正电荷，与电源负极相接的极板带上负电荷，正极板的电势高于负极板。 我们知道，原子是由原子核与核外电子组成，呈电中性，在电场的作用下会发生极化。当我们将外接电源断开后，正极板附近电介质带负电，负极板附近电介质带正电。接上负载后，由于正极板电势高于负极板， 负极板的负电荷

3、就向正极板运动，这就是 放电。极板上电荷放完后，两个极板的电 势差为零，电场消失，电介质原子就恢复 了原态。放电。极板上电荷放完后，两个极板的电势差为零，电场消失，电介质原子就恢复了原态。电容器的分类电容器的分类化学电容器化学电容器：电解质作为阴极的电容器。 包括：电解液（electrolyte）、二氧化锰（MnO2）、有机半导体TCNQ、导体聚合物等。非化学电容器非化学电容器：以其电介质命名。 如：陶瓷、纸介、塑料薄膜、空气、云母、半导体电容器等电容器等。按结构分为按结构分为：固定电容，可变电容，微调电容。 按极性分为按极性分为：有极性电容和无极性电容。滤波、旁路、耦合、去耦、储能、调谐、计

4、时、转相、温度补 偿陶瓷电容器陶瓷电容器 用陶瓷做介质，在陶瓷基体两面涂覆银浆，然后烧结成单片或多层独石结构的电容器。它的特点是无极性、体积小、损耗小、绝缘电阻高，但容量小，适宜用于高频电路。 多层独石铁电陶瓷电容虽然 电容量较大，但是损耗和温 度系数较大，适宜用于低频 电路。薄膜电容器薄膜电容器 用涤纶薄膜或聚丙烯薄膜做介质，蒸发的铝膜做电极经卷绕制成；无极性、电容量小、频率特性好、温度稳定性好、介质损耗小、绝缘电阻高，适宜做滤波、旁路、耦合、分压作用。电解电容器电解电容器 在铝、钽、铌、钛等阀金属的表面采用阳极氧化法生成一极薄且具有单向导电性的氧化膜作为电介质，以能生成和修复介质氧化膜的液

5、状或固状电解质作为阴极而构成的电容器。 两个导电极板有正负极之分。 电容器的主要参数电容器的主要参数电电 容容 量量 C=orS/d O ：真空介电常数 ( O =1) r 介质相对介电常数S 极板相对有效表面积d介质厚度。如介质 Al2O3，d= Vf ， =1.4nm/V铝电解电容器的比容量约为300F/cm3。陶瓷片式电容器的比容量一般不会超过2F/cm3。 电容量误差等级电容量误差等级 ：D005级0.5%； F01级1%； G02级2%； JI级5%； KII级10%； MIII级20%。 电容容量越大越好电容容量越大越好的误区：的误区： 虽然电容越大，为IC提供的电流补偿的能力越强

6、。且不说电容容量的增大带来的体积变大，增加成本的同时还影响空气流动和散热。关键在于电容上存在寄生电感，电容放电回路会在某个频点上发生谐振。在谐振点，电容的阻抗小。因此放电回路的阻抗最小，补充能量的效果也最好。但当频率超过谐振点时，放电回路的阻抗开始增加，电容提供电流能力便开始下降。电容的容值越大，谐振频率越低，电容能有效补偿电流的频率范围也越小。从保证电容提供高频电流的能力的角度来说，电容越大越好的观点是错误的 等效串联电阻等效串联电阻ESR ESR等效串联电阻是电容的介质损耗（Rsd）和金属损耗（Rsm）的综合。 即：ESRRsd+Rsm ESR与损耗角有关联，ESRtan/(Cs)，Cs是

7、电容量， 通常以毫欧姆（m）为单位。 ESR越低效果越好越低效果越好的误区：的误区： 输入电容的容量要大一点。相对容量的要求，对ESR的要求可以适当的降低。因为输入电容主要是耐压，其次是吸收MOSFET的开关脉冲。对于输出电容来说，耐压的要求和容量可以适当的降低一点。ESR的要求则高一点，因为这里要保证的是足够的电流通过量。但这里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR电容会引起开关电路振荡。而消振电路复杂同时会导致成本的增加。 额额 定定 电电 压压Al2O3 损耗角正切值损耗角正切值 损耗角：损耗角：流过电容的实际电流IA和理想电容电流Ic形成一个角，叫做损耗角。 损耗角正切值损耗角正切值

8、DF ：tg =ERS/XC 通常以100Hz或120Hz下数字电桥测定的数值为准，指在规定频率的正弦电压下，通过电容器的有功功率与无功功率的比值。 漏电流漏电流（绝缘电阻）绝缘电阻） 电容器的介质对直流电具有很大的阻碍作用 ,在施加电压时，会产生一种很小的电流称之为漏电流. 漏电流的计算公式是I=KCU 其中，C为电容量（F），U为额定直流电压值（V），K与电容 器类型有关的常数，通常取值范围为0.010.1 。额定纹波电流额定纹波电流 电容器发热的交流有功功率PI2 ESR。 其中，I:纹波电流; ESR:等效串联电阻 在同等条件下，ESR值越低，电容器的发热量越小，耐纹波电流能力就越强。

9、工作寿命计算工作寿命计算 液体电解电容器寿命：液体电解电容器寿命： L0：最高温度下的寿命（1000小时）；T0：最高工作温度 ；T：实际工作温度 温度每降低20度，使用寿命增加4倍。 固体电解电容器寿命：固体电解电容器寿命： L0：最高温度下的寿命（1000小时）；T0：最高工作温度 ；T：实际工作温度 温度每降低20度，使用寿命增加10倍。 工作寿命图示工作寿命图示 电解电容器的介绍电解电容器的介绍液体铝电解电容器液体铝电解电容器 阳极铝箔经电化学腐蚀扩大表面积后，再经过阳极氧化形成一层氧化膜做介质，配合经化学或电化学腐蚀的阴极铝箔，经卷绕再浸电解液后封装而成。 特点特点:容量大、电压范围

10、宽，但是损耗大，温度和频率稳定性差。 应用应用：电源滤波，低频耦合，储能，旁路等。 由于液体受热会膨胀和挥发,常发生干涸、鼓胀、爆浆或漏液问题。 液体铝电解电容 鼓胀、漏液由于采用卷绕式制作工艺，其等效串联电感 ESL较大，导致滤波效果大为降低。容量误差大，泄漏电流大，频率特性和温度特性差，不适于在高频和低温下应用,不宜用在25kHz以上频率作低频旁路、信号耦合、电源滤波。 固体钽电解电容器固体钽电解电容器 将金属钽粉真空烧结体做正极，进行阳极氧化表面生成的Ta2O5Ta2O5五氧化膜做介质，用MnO2MnO2二氧化锰做负极，制成片式电容器。 特点：体积小、容量大、性能稳定、寿命长、温度特性好

11、，但存在过流过压下容易燃烧 、爆炸现象，频率稳定性不理想。 应用应用：在要求高的电路中代替 铝电解电容 对脉动电流的耐受能力差，若损坏易呈短路状态。 在过流、过压时易产生爆炸和燃烧，安全性较差。聚合物固体片式铝电解电容器聚合物固体片式铝电解电容器（PA-Cap) 导电高分子材料导电高分子材料聚合物聚合物（Polymer) 2000年诺贝尔化学奖得主：年诺贝尔化学奖得主：防静电防静电：电脑、手机、电视和心脏起搏器上；掺杂和脱掺杂特性掺杂和脱掺杂特性：电池、电极材料；吸收微波吸收微波：电磁屏蔽材料，隐身飞机的涂料；防腐蚀：防腐蚀：火箭、船舶、石油管道及污水管道中；生命科学生命科学：导电聚合 物可以

12、用来制造人造肌 肉和人造神经，这将是导电聚合物研究在应用上最重要的一个趋势。 由绝缘体变为半导体再变为导体由绝缘体变为半导体再变为导体：可以使巡航导弹在飞行过程中隐形，然后在接 近目标后绝缘起爆；与纳米技术相结合与纳米技术相结合：导电聚合物可以制成分子导线材料，制作分子器件和其它 电子元件。G. MacDiarmid H.Shirakawa J.Heeger麦克迪尔米德麦克迪尔米德 白川英树白川英树 黑格黑格 用铝箔作阳极，Al2O3氧化膜作介质，采用导电高分子聚合物做阴极材料的电容器。其电导率达到100S/CM（是钽电容器MnO2的1000倍）。当局部过热会从导电体变为绝缘体，使电容器的短路

13、电流受到抑制，安全性好。该电容器损耗角正切值较小，等效串联电阻极低，频率特性优越。另外，由于聚合物具有优良的环境稳定性，以及自愈时不会释放氧气，因此，该电容器具有优良的温度稳定性以及安全使用性。应用应用：在开关电源、高频数字电路中的滤波、去耦、吸收噪声和抑制 电源波动。导电聚合物导电聚合物厚度约厚度约50m电导率电导率100S/cmPA-Cap 结结 构构 银浆银浆聚合物聚合物铝箔铝箔银膏银膏石墨乳石墨乳环氧树脂环氧树脂引线框引线框涂覆涂覆叠片叠片G825G825LPA-Cap产品规格表产品规格表（部分）（部分）外形尺寸外形尺寸(mm): V: 7.3-4.3-1.9 D: 7.3-4.3-2

14、.8 E: 7.3-4.3-4.0 (uF)(V)4.710122233475668821001201502202703302VVVDDD4VVVVVDD6.3VVVVDDDEE10VVDDD12.5VV16VV 优良的频率特性优良的频率特性(PA200V826M0G)稳定的温度特性稳定的温度特性(PA200V476M0J) 容量直流偏置电压特性容量直流偏置电压特性(PA200V127M0D) 漏电流电压特性漏电流电压特性(PA200V476M0J) 电流电压特性曲线电流电压特性曲线(PA200V566M0G) 长寿命、高可靠性长寿命、高可靠性(PA200V156M1A) +1051000h寿

15、命，相当于+55 3.2105h(36年)；采用聚合物固体电解质，无泄露，不燃烧不爆炸；无须降压使用；1001010.10.01 0 500 1000时间(h) 容量容量(F) ESR() 漏电流漏电流(A)PA-Cap 特特 点点 极低的等效串联电阻（ESR）值和等效串联电感（ESL)； 理想的容量频率曲线、稳定的温度特性； 快速的电流转换和瞬时响应能力； 允许通过更大的纹波电流； 很强的噪音吸收能力、明显的滤波效果； 宽温长寿命，不燃烧不爆炸安全性高； 无污染，符合SGS标准，通过ROHS指令； 片式化、低剖面，适合SMT工艺生产。PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器聚合物固体片式铝电解

16、电容器可靠性试验由中国赛宝（福建）实验室承担可靠性试验由中国赛宝（福建）实验室承担 这些试验通称为环境与可靠性试验。分为这些试验通称为环境与可靠性试验。分为8 8个组别、个组别、1212个项目、个项目、102102只电容器，其中环境试只电容器，其中环境试验有验有5 5个项目，可靠性试验有个项目，可靠性试验有7 7个项目。个项目。 （01）元件耐焊接热与耐溶剂）元件耐焊接热与耐溶剂组别试验项目样品数试验条件性能要求试验结果最大值最小值合格数C1耐焊 接热12焊槽法温度：2605，10s ,浸入时间101s，恢复242h.无可见损伤，标志清晰合格12C/C5（）3.7-3.2tg0.040.028

17、60.0205元件 耐溶剂溶剂：电阻率不小于1M.cm 软化水或蒸馏水，温度235 方法2（无擦拭），恢复48h无可见损伤，标志清晰合格C/C5（）1.5-1.7tg0.040.02900.0201（02）端面强度）端面强度组别试验项目样品数试验条件性能要求试验结果最大值最小值合格数C2端面镀层结合强度12安装在印板上，弯曲速率：1mm/s；板弯曲：mm无可见损伤，标志清晰合格12C/C5（）0.3-0.4tg0.040.03670.0191ESR0.12()0.1180.071（03）温度快速变化与气候顺序）温度快速变化与气候顺序组别试验项目样品数试验条件性能要求试验结果最大值最小值合格数C

18、3.1温度 快速变化18A=-55，B=+105五次循环持续时间：30min,恢复：1-2h。无可见损伤，标志清晰合格18C/C10（）2.20.2tg0.040.03850.0205IL3.02（A)0.040.02ESR0.12()0.1190.011气候顺序:干 热循环湿热寒 冷循环湿热105，16h试验b,第一循环-55，2h试验b,其余环循。无可见损伤，标志清晰合格C/C10（）-4.9-9.4tg0.0480.02100.0134IL3.02（A)0.050.03（04）稳态湿热）稳态湿热组别试验项目样品数试验条件性能要求试验结果最大值最小值合格数C3.2稳态湿热9温度402湿度：

19、93+2-3%RH不加负荷时间：21d恢复12h 无可见损伤，标志清晰合格9-20（%）C/C4（%）10.06.2tg0.080.03090.0199IL6.04（A)0.050.03ESR0.144()0.1370.083（05）耐久性）耐久性（1000H）组别试验项目样品数试验条件性能要求试验结果最大值最小值合格数C3.2稳态湿热9温度402湿度：93+2-3%RH不加负荷时间：21d恢复12h 无可见损伤，标志清晰合格9-20（%）C/C4（%）10.06.2tg0.080.03090.0199IL6.04（A)0.050.03ESR0.144()0.1370.083（06）高低温特性

20、与充放电）高低温特性与充放电组别试验项目样品数试验条件性能要求试验结果最大值最小值合格数C3.4高低温特性15测试点：1：20（基准），2：-55；3：105无可见损伤，标志清晰合格152：C/C20（）-5.9-9.12：tg0.080.01140.00702：ESR0.24()0.1220.0533：C/C20（）19.714.83：tg0.040.03280.02013：IL37.75（A)0.260.05充放电温度：+20；充电6.3V；充电时间：0.5s；放电时间：0.5s；循环次数：1000000（次）C/C20（）3.5-1.4漏电流IL3.02（A)0.300.04（07）高温

21、储存与浪涌电压）高温储存与浪涌电压组别试验项目样品数试验条件性能要求试验结果最大值最小值合格数C3.5A高温贮存6温度：+105；持续时间：50024h；恢复时间：至少16h。无可见损伤，标志清晰合格6C/C20（）-8.8-14.8tg0.060.01060.0066漏电流IL6.04（A)2.700.03浪涌循环次数：1000次；温度：201；电压：7.25V；充电时间：30s；放电时间：5min30s恢复16h.无可见损伤，标志清晰合格C/C10（）2.61.2tg0.040.01090.0078漏电流IL3.02（A)1.200.03（08）反向电压）反向电压组别试验项目样品数试验条件

22、性能要求试验结果最大值最小值合格数C3.5B反向电压6温度：+105；反向电压0.95V，持续时间：125h；正向电压6.3V，持续时间：125h。C/C20（）-8.6-15.16tg0.040.01650.0074漏电流IL3.02（A)0.070.05 ISO9001:2000质量管理体系认证质量管理体系认证PA-Cap符合符合RoHS指令指令 电解电容器的特性比较电解电容器的特性比较聚合物固体片式铝电解电容器与其它电容器的比较聚合物固体片式铝电解电容器与其它电容器的比较 电容器种类电容器种类 ： AL-CAP液体铝电容器液体铝电容器 TA-CAP固体钽电容器固体钽电容器 PA-CAP固

23、体聚合物电容器固体聚合物电容器 阴极材料阴极材料 ： 电解液 二氧化锰MnO2 固体聚合物 导导 电电 率率 ： 0.01S/CM 0.1S/CM 100S/CM 导电方式导电方式 ： 离子导电 电子导电 电子导电 工作工作 频率频率 ： 10Hz10KHz 1KHz100KHz 1KHz1GHz 优优 点：点： AL-CAP： 价格最便宜，耐压性优良，有自愈特性 TA-CAP： 耐高温，性能比较好 PA-CAP： 无污染，耐高温，不会爆炸，优良的频率、温度特性，极低的ESR值. 缺缺 点：点： AL-CAP ： 受温度影响很大，高ESR值，电解液易干涸、漏液、爆浆干涸、漏液、爆浆，安全性差。 TA-CAP ： 有污染，易燃烧、爆炸燃烧、爆炸，安全性差，价格比较高。 PA-CAP ： 耐压值低。等效串联电阻等效串联电阻ESR容量频率特性容量频率特性漏电流温度特性漏电流温度特性 PA-Cap在开关电源的滤波应用：在开关电源的滤波应用： 不接电容纹波不接电容纹波 (150kHz)接入不同电容器时的纹波接入不同电容器时的纹波液体铝电解电容器液体铝电解电容器固体钽电解电容器固体钽电