硬件设计之电容篇

1、April 29, 2022 硬件设计之电容篇硬件设计之电容篇 Miracle-WN硬件设计之电容硬件设计之电容篇篇n电容的材料n陶瓷电容、钽电容和铝电解电容介绍n各类电容的使用n各类电容的消耗n电容的作用n电容的阻抗特性n并联电容的阻抗特性n电容的总结-2-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.电容的材料电容的材料-3-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图1 电容的分类电容的材料电容的材料-4-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图2 不同材料电容划

2、分陶瓷电容陶瓷电容陶瓷电容是以陶瓷作为介质，在陶瓷的两面喷涂金属作为极板构成的， 其优势是体积小、价格低、稳定性好，但容量小。按电容的温度稳定性可以分为两类，即类陶瓷电容器和类陶瓷电容器，主要是由于填充介质不同。-5-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图3 陶瓷电容CLASS1和CLASS2特性 类陶瓷电容器类陶瓷电容器-6-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.类陶瓷电容器损耗小、绝缘电阻高、温度特性好。特别适用于振荡器、谐振回路、高频电路中的耦合电容，以及其他要求损耗小和电容量稳定的电路，或用于

3、温度补偿。图4 CLASS 1的符号表示法C 表示电容温度系数的有效数字为 0 ppm/；0 表示有效数字的倍乘因数为 -1（即10的0次方）；G 表示随温度变化的容差为 30ppm；计算下来，C0G电容最终的TCC为：0（-1）ppm/30ppm/；C0G就是常说的NPO，只是表示方法不同而已。类陶瓷电容器类陶瓷电容器类陶瓷电容器的电容量随温度呈非线性变化，损耗较大，常在电子设备中用于旁路、耦合或用于其它对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中。-7-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图5 CLASS 2的符号表示法X 代表电容最低可工作在 -5

4、5；7 代表电容最高可工在 +125；R 代表容值随温度的变化为 15%；陶瓷电容温度稳定性陶瓷电容温度稳定性-8-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图6 CLASS 1和CLASS 2温度稳定特性陶瓷陶瓷电容电容电压电压稳定性稳定性-9-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图6 CLASS 1和CLASS 2电压稳定特性钽电容钽电容钽电容使用金属钽作为介质，基于钽的固态特质，具有温度特性好、ESL 值小、高频滤放性能好、体积小、节省PCB 面积、容值较大等特点。因此钽电容一般被应用在需要大容量电

5、容滤波的场合，如为CPU 等高耗能器件滤波。钽电容的缺点是耐电压和耐电流的能力较弱。一般要求钽电容的工作电压相时额定电压降额50% 以上。遇到以下三种场合之一，钽电容的额定电压需降额70%以上使用。n负载呈现较强的感性；n串联电阻小；n瞬变电流较大。其原因在于，感性负载或较小的串联电阻会导致较大的瞬变电流，造成钽电容的盘属介质被击穿。一般而言，容值越大的钽电容，其ESR往往越小。-10-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.铝电解电容铝电解电容铝电解电容使用电解液作为介质，外壳的铝制圆筒作为负极，内部插入一块金属板作为正极。铝电容容量大、耐压高，但

6、温度稳定性差、精度差、高频滤波性能差，仅适用于低频滤波。在对钽电容的介绍中提到，钽电容不适用于有较大瞬变电流的场合，而在这种场合下，就需要用到铝电解电容。例如，在单板的-48V 缓启电路上，就需要用到铝电解电容。在应用中，铝电解电容的电压降额要求至少为20%。例如，在-48V 缓启电路的滤波电路中，要求铝电容的额定电压在60V 以上。铝电解电容一般都是插装式，因此ESR 、ESL 值都比较大。同时由于其采用液体作为介质，在极高温和极低温环境下，性能也极不稳定。从产品的长期稳定性来说，铝电解电容也可能成为隐患。因为随着产品使用时间的增加，铝电解电容内部的电解液将逐渐干涸，容量逐渐减小。ES R

7、逐渐增大，滤波效果减弱。所以在高速电路设计的电容选型中，应尽量避免选择铝电解电容。-11-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.各各类电容器的性能比较类电容器的性能比较-12-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图7 各类电容器的性能比较各类电容的使用：数码相机各类电容的使用：数码相机-13-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图8 各类电容的使用1-14-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.各类电容的使用

8、：各类电容的使用：PC主板主板图9 各类电容的使用2-15-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图10 各类电容的使用3各类电容的使用：移动电话各类电容的使用：移动电话各类电容的消耗各类电容的消耗-16-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图11 各类电容的消耗1各类电容的消耗各类电容的消耗-17-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图12 各类电容的消耗2MLCC的体积趋势的体积趋势-18-Copyright 2012 Realtek Semicon

9、ductor Corp.图13 MLCC的体积趋势电容的作用电容的作用-19-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图14 电容的作用电容的作用电容的作用n-20-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.电容的作用电容的作用:交流耦合交流耦合-21-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图15 电容的耦合作用电容的作用电容的作用:去耦去耦-22-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图16 电容的滤波作用电容的作用

10、电容的作用:整流整流-23-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图17 电容的整流作用电容的阻抗特性电容的阻抗特性-24-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.电容等效模型：图18 实际电容与理想电容的差别图19 不同容量电容的特性曲线并联电容的阻抗特性并联电容的阻抗特性 在高速电路中，噪声等干扰往往不是处在个频率点上，而是占据一段频带。在实际工作中，期望电路上每一处的噪声频带都得到准确定位并不现实，这就要求设计者在电路设计中，利用几种不同的电容构造一个比较宽的低阻抗频带，以尽可能地覆盖噪声频带。电容

11、并联是否随意搭配就能起到扩展低阻抗频带的效果呢？-25-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图20 0603封装的1UF和0.01UF并联后的阻抗特性曲线图21 0603封装和0402封装的0.01UF并联后阻抗特性曲线从图20和图21中可以看出，相同封装不同容值的电容并联以及不同封装相同容值的电容并联并不能起到扩展低阻抗频带的目的。并联电容的阻抗特性并联电容的阻抗特性针对之前的电容并联进行改进，采用不同封装不同容值的电容并联，扩展了低阻抗频带。在设计中，常会使用若干个相同容值的电容并联在一起，共同为一个电源滤波。一方面起到了给器件提供电压的本地

12、小池塘作用，另一方面是为了在谐振点上获得更低的阻抗，但并没有展宽低阻抗频带。-26-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图22 0603封装的1UF和0402封装的0.01UF并联后的阻抗特性曲线图23 相同型号电容并联后的阻抗特性曲线并联电容的阻抗特性并联电容的阻抗特性从图22中看出有反谐振点的出现，反谐振点表现为高阻抗，其噪声抑制能力会大幅下降，其等效示意为图17所示。因此在使用电容并联时，需要多种电容搭配使得阻抗曲线平滑。-27-Copyright 2012 Realtek Semiconductor Corp.图23 电容并联后的阻抗特性曲线分析图24 多种电容并联后的理想阻抗特性曲线电容的总结电容的总结n不同的场合需要使用不同的电容：陶瓷电容、钽电容和铝电解电容；n电容的作用要结合其原理进行深入的理解；n电容在高速电路中并不是纯粹的电容，而是带有ESR、ESL和C的小型电路；n电容的应用中需要加深对阻抗-频率特性曲线的理解；n滤