电子元器件解析02之电容(一)—

下篇文章：电子元器件解析02之电容(二)——电容分类与应用场景：https://blog.csdn.net/weixin_42837669/article/details/131142767

摘要

电容是最基本的电子元器件之一，本文介绍了电容的定义，并总结了电容的各个性能参数，包括标称值、精度、额定电压、工作温度范围、温度系数、ESR、频率特性、纹波电流和寿命等，旨在帮助大家全面了解电容的特性。

关键词：标称值；精度；额定电压；温度系数；ESR；纹波电流；电容寿命

一. 什么是电容

维基百科——电容器：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%99%A8

维基百科——电容：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E5%AE%B9

电容器，Capacitor，是将电能储存在电场中的被动电子器件。而电容是表征在给定电压下，电容器存储电荷的能力的物理量，记为C，
$C=\frac{Q}{U}$
其中，Q为电荷量，单位为库伦（Coulomb，简写为C）；U为电压，单位为伏特（Voltage，简写为V）。

电容的单位为法（Farad，简写为F），由上式可知1F = 1C / 1V ，表示1法拉的电容多加1伏特的电势差可以多储存1库仑的电荷。电容常见的单位还有毫法mF，微法uF、纳法nF、皮法pF和飞法fF，有：

$1F=10^3mF=10^6uF=10^9nF=10^{12}pF=10^{15}fF$
下面以平行板电容器为例介绍电容器的物理结构。

平行板电容器由上下两个金属板和中间的介质层组成，其电容量C的表达式如下：
$\mathrm{C}=\frac{\varepsilon A}{\mathrm{d}}$
其中， $\varepsilon _r$ 为平行板中间介质的介电常数，单位为F/m，它表征介质对电场强度的响应能力。介电常数越大，介质对电场的响应能力就越强，即介质中的电场强度相同，介质中储存的电荷量就越大；A为上下两平行板的正对面积，单位为 $m^2$ ；d为平行板间距，单位为m。

对于介质的介电常数，一般用它相对于真空的介电常数来表示，称为某材料的相对介电常数，记为 $\varepsilon _r$ ，有：
$\varepsilon =\varepsilon _r\varepsilon _0$
其中， $\varepsilon _0$ 为真空介电常数，它是一个常量，值为8.85 × 10^-12 F/m。它和静电力常量（又称库伦常量）k有如下换算关系：
$\varepsilon _0=\frac{1}{4\pi k}$
所以，有的平行板电容器公式是以k和 $\varepsilon _r$ 来写的，为：
$C=\frac{\varepsilon _rA}{4\pi k\mathrm{d}}$
它和前面的公式是一样的，其实就是介电常数和相对介电常数的换算，这两者其实是同一物理量的不同表达。

通过平行板电容器公式我们知道，电容量的大小和导体的正对面积、导体间距和导体间介质的相对介电常数有关：

导体正对面积越大，电容越大
导体间距越小，电容越大
导体间介质的相对介电常数越大，电容越大

据此公式，在电路中，邻近的导体之间即存在电容，而电容器是为了增加电路中的电容量而加入的电子器件。

为了简洁，我们通常将电容器就称为电容，而电容器的电容则称为容量或容值。电容在电路原理图中的符号如下图所示。

总的来说，电容是一种能存储电荷的被动元件，在电路中，它的主要作用是储能、滤波、耦合、延时等。

二. 电容的性能参数

本节参考：IEC 60384。（IEC 60384，Fixed capacitors for use in electronic equipment，电子设备用固定电容器，是由国际电工委员会（IEC）发布的一组标准，包括IEC 60384-1、IEC 60384-14等多个标准。该标准规定了电子设备用固定电容器的一般要求、尺寸、性能、试验方法、标记、包装、运输和储存等内容。该标准在电子设备制造业中具有重要的地位，被广泛使用和遵循。最新版本为2021版，国内相应的国家标准为GB/T 6346。）

2.1 电容标称值与精度

电容标称值，Rated capacitance或Capacitance value ，也称容量，它和电阻标称值的概念基本是一样的，主要包括以下几个系列：E6、E12、E24等。这些系列分别表示不同的精度和电容值范围，如下：

E24：1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.4、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1。

E12：1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2。

E 6：1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8。

根据这些标称值，可以得到我们常用的多种电容值，如10uF、100nF，2.2uF，330pF，68nF等。

电容精度，Tolerance，精度表示的是电容出厂时的容值与其标称值之间的误差。有时电容容差和精度是一个意思，有时容差指的是外部环境（如温度、频率、电压等）使电容器容值变化的范围，和精度不是一个概念，注意甄别。精度和电容系列的对应关系如下：

电容系列	精度	精度代号
E6	20%	M
E12	10%	K
E24	5%	J
E96（很少见到）	1%	F

举个例子，10uF电容，精度10%，那么其实际容量在9uF~11uF之间，标称10uF实际有偏差，这就是精度的概念，和电阻精度是同一概念。

对于容量<10pF的电容，一般就不用百分之多少来表示精度，而直接写明绝对精度，如8pF±0.25pF；对于容量≥10pF的电容，精度就写成百分比的形式，如100pF±1%。如下图所示。

通常来说，电容的精度通常是不那么关键的参数，因为电容在起储能与滤波作用时，容量大一点，小一点是没多大影响的，除非是在一些精密仪器的使用场景下，所以，我们最常使用的还是E6与E12系列。

另外还要注意，实际电容的精度也与容值的大小相关，一般规律是，容值越小精度越高，容值越大，精度越低。这其实与电容介质材料和制作工艺相关，当追求大容量时，就难以兼顾高精度了。一般来说，10uF的电容最高精度是5%，100uF的电容最高精度是10%。

2.3 电容额定电压与击穿电压

电容额定电压，Rated voltage，也称为电容耐压，是指在正常工作下电容能持续施加的最大电压值，它主要与电容内部的电介质材料和电容结构有关。

电容内部的电介质材料是决定电容耐压的关键因素。不同的电介质材料具有不同的耐压特性，如氧化铝陶瓷电容器的耐压通常较高，而电解电容器的耐压则较低。
电容器的结构也会对其耐压特性产生影响。例如，电容器的电极间距离越小，电容耐压就越低。

温度对电容耐压也有一定影响。一般来说，在规定的工作温度下，电容耐压是稳定的。但是，当电容器工作温度过高时，电容器内部材料可能会因热老化而降低其耐压特性。

对于无极性电容，如陶瓷电容和薄膜电容等，电容耐压有直流耐压和交流耐压两种。交流电场下，电容器中的电荷会随着电场的变化而不停地在电容器内部移动，从而产生能量损耗和热量，导致电容器的温度升高。当电容器温度升高到一定程度时，其电介质的性能会发生变化，从而影响电容器的耐压能力。因此，在相同的电容器中，其交流耐压通常要比直流耐压要小。一般电容交流耐压：电容直流耐压 = 1：1.5~2。即一个电容交流耐压标注是100VRMS，那么它的直流耐压应在150VDC以上。

实际查阅很多MLCC的手册发现，手册只提供直流耐压参数，而未给出交流耐压参数，这是因为交流耐压受到很多因素的影响，如电极结构、电介质材料、制造工艺等，因此很难提供一致的交流耐压参数。相反，直流电场下的耐压性能相对稳定，因此提供直流耐压参数更为常见。如果这些电容被用到交流电路中，注意咨询厂家得到电容的准确交流耐压值并保证一定裕量。

对于有极性的电容（一般为电解电容），电容耐压只有直流耐压，没有交流耐压。如果电解电容加负压，会导致电容容量下降，甚至短路烧毁，对电解电容造成损坏。

电容的额定电压的优先值一般为：6.3V，10V，16V，25V，50V及其它们的十进倍数。此优先值和电容类型有关。

电容击穿电压，Breakdown voltage，电容击穿电压是指当电容器内部介质被电场穿透时，电容器的两个电极之间出现放电的电压。电容击穿电压一般是额定电压的1.3~2倍。一般来说，电容器被击穿后会处于短路状态，短路对电路的破坏性可能是毁灭性的。但也有一些特殊的电容，在被击穿后会处于断路状态，其原因是因为在大电流后，金属熔化或是汽化了，因此崩溃后会产生断路，而断路则通常不会有破坏性影响。

如果电容两端电压超过额定电压，但未达到击穿电压，可能引起以下后果：1）容值变化；2）寿命缩短；3）损耗增加。所以，一般情况下，电容两端电压需按额定电压的70%降额使用。

2.2 电容的工作温度范围、温度系数与常见介质的温度特性

电容工作温度范围， Operating temperature range，是指电容器可以正常工作的温度范围，它与电容类型有关。一般来说，电解电容器的工作温度范围比较窄，一般为-40℃到+85℃，而陶瓷电容、薄膜电容和钽电容的工作温度范围相对较宽，一般可以达到-55℃到+125℃。

如果电容在超过工作温度范围的温度下工作，可能引起以下后果：

容量变化很大（一般为容量降低），影响电路正常工作。
电容内部材料机械性能降低，可能会导致电容器的机械失效，如壳体破裂等。
电容内部电阻变大，损耗增加，影响电容性能。
电容内部材料老化，影响使用寿命。
电容绝缘性能下降，可能发生漏电、短路，甚至引发火灾。

电容温度系数，Temperature Coefficient of Capacitance，简称TCC，指的是电容容量随温度变化的程度，通常用ppm/℃（百万分之一/摄氏度）来表示，它与电阻温度系数的计算完全相同，公式如下：
$TCC=\frac{C_2-C_1}{C_1\left( t_2-t_1 \right)}\times 10^6\left( PPM/℃ \right)$
其中， $t_1$ 为环境温度，一般为25℃， $t_2$ 为当前温度， $C_1$ 为电容在 $t_1$ 时对应的容值， $C_2$ 为电容在 $t_2$ 时对应的容值，则有：
$C_2=\frac{C_1\left( t_2-t_1 \right) \times TCC}{10^6}+C_1$

需要说明的是，温度系数是有正有负的，这意味着电容容量会随着温度变化增加或减小。

电容工作温度范围与温度系数统称为电容的温度特性，它反应电容的工作温度范围与范围内容量的变化情况。通过平行板电容器公式我们知道，电容容量由正对面积、间距和介质的介电常数共同决定。其中，介质的介电常数与温度特性的关系最为密切，因此一些电容的数据手册上温度特性就写的是介质材料，如温度特性：COG（-55 to +125°C、0±30 ppm/°C），温度特性**：**X5R（-55 to +85°C、±15%）。

常见的几种介质的温度特性如下表所示：

介质材料	工作温度范围	容量变化/温度系数
C0G / NP0	-55℃ ~ +125℃	0±30ppm/℃
X7R	-55℃ ~ +125℃	+15%~-15%
X5R	-55℃ ~ +85℃	+15%~-15%
Y5V	-30℃ ~ +85℃	+22%~-82%
Z5U	+10℃ ~ +85℃	+22%~-56%
铝电解电容	-40℃ ~ +85℃	+20%~-20%
聚合物固态电容	-55℃ ~ +125℃	±5%~±20%
聚酰亚胺薄膜电容	-55℃ ~ +125℃	+10%~-10%

2.4 电容ESR、损耗角正切值与电容频率特性

ESR，Equivalent Series Resistance，电容器的等效串联电阻，在物理上由介质材料、电极、引线的电阻及它们之间的连接电阻组成。ESR包含介质损耗和电极损耗两部分。

介质损耗是指电容器内部的电介质材料在电场作用下产生的耗散。电介质材料有一定的电导率和磁导率，当电场作用下，会产生一定的电流和磁场，从而导致能量损耗。介质损耗是电容器内部的一种无法避免的损耗。

电极损耗是指电容器内部的电极材料在交变电场作用下产生的能量损耗。在电容器内部，电介质材料和电极材料之间形成了电场，当电容器工作频率较高时，电极材料会受到高频交变电场的影响，导致电极材料内部产生感性耗散，从而产生能量损耗，这种能量损耗就是电极损耗。

从参考文章——[电容器阻抗/ESR频率特性是指什么？ | 村田制作所技术文章 (murata.com)]（https://article.murata.com/zh-cn/article/impedance-esr-frequency-characteristics-in-capacitors）中我们知道，电容的ESR在低频时主要是介质损耗，在高频时主要是电极损耗。如下图所示。

影响电容ESR的因数主要有以下几个：

电容类型与介质材料，一般来说，薄膜电容的ESR最小、陶瓷电容次之，电解电容的ESR最大。
电容容量，对于同型号同耐压的电容，容量越大，ESR越低，因为容量越大，意味着电极面积越大，电容器内部的电流流动也就越顺畅，从而减少了ESR。
电容耐压，对于同型号同容量的电容，耐压越大，ESR越低，因为耐压越大，意味着电极间距越大，同一电压下电容内部的场强减小了，从而损耗减小了，也就减小了ESR。
电容尺寸和形状，一般来说，电容器的尺寸越大，ESR越小，因为尺寸越大意味着电极面积越大，电极间距越大，ESR越小。
电容制造工艺，即使是同类型的电容，不同厂家的ESR也不一样，这就是制造工艺的差距。
电容老化与使用寿命，随着电容器的使用时间的增加，电容器内部的电介质和电极材料可能会发生老化和损伤，从而导致ESR的增加。
电容使用环境，在潮湿或盐雾环境下，电容内部材料容易发生腐蚀和氧化，导致ESR增加。
外部温度，ESR会随着电容使用温度的变化而变化，这主要是因为介质和极板材料的电导率会随着温度变化，有的电容温度越高，ESR越小；有的则温度越高，ESR越大。
电容工作频率，基本规律是在电容自谐振频率之前，ESR随频率增加而降低；在自谐振频率之后，ESR随频率增加而增加。

通常来说，电容的ESR是越低越好，这样电容的能量损耗小，从而提高了电容器的效率和性能。但是，有时较低的ESR会引起电路谐振，造成电压电流异常变化、噪声干扰、温度上升等严重后果，所以有时我们会看到电容串联一个小阻值的电阻一起使用，这就是为了增加ESR，防止谐振。

另外，ESR还可以反映电容器内部的损耗和质量。当电容器的ESR过高时，说明电容器内部存在一些损耗或质量问题，可能会导致电容器的寿命缩短或工作不稳定，所以可以通过测定比较同一型号电容器的ESR来判断哪些电容是残次品或者以及失效。

损耗角正切值，tanδ，和电容ESR的物理意思是一样的，都是表示电容器的能量耗散。其中δ为电容损耗角，它表示电容电流偏离电压90°的夹角，如下图所示。

$$ \text{损耗角正切值}\tan \delta =\frac{\mathrm{ESR}}{\mathrm{Z}_{\mathrm{c}}} \\ \text{电容有功功率P}=\text{电压U}\times \text{有功电流}=\text{电压U}\times \text{实际电容电流}\times \sin\mathrm{\delta} \\ \text{电容无功功率Q}=\text{电压U}\times \text{无功电流}=\text{电压U}\times \text{实际电容电流}\times \cos\mathrm{\delta} \\ \text{所以}, \tan\mathrm{\delta}=\frac{\text{电容有功功率P}}{\text{电容无功功率Q}} $$ 有的电容手册中并不给出ESR，而给出损耗角正切值，其实是一样的，ESR = tanδ * 容抗。注意此公式只在电容自谐振频率之前成立。

电容频率特性，Capacitor frequency response，指的是电容阻抗随电容端电压频率变化的特性。某品牌的电容频率特性如下图所示。

在之前的说明中我们知道，在自谐振频率之前，电容呈容性；在自谐振频率，呈阻性；在自谐振频率之后，呈感性。

另外，我们可以看到，小电容的谐振频率在大电容之后，这使得小电容往往在高频的阻抗更低，所以，当使用电容滤除高频电流时，往往使用大电容并联小电容的方式，此技巧在实际中应用广泛，特别是在EMI抑制中。

2.5 电容额定纹波电流及其频率系数

电容额定纹波电流即是在电容器内允许流过的最大交流电流。由于电容器内的功率损耗（ESR 存在），纹波电流会使电容器内部产生一个温升。为了使电容器在寿命周期内正常工作，每个电容器都规定了一个额定工作温度下的额定纹波电流，从而限制其内部温升。

从上文我们知道，电容工作频率会影响ESR，所以电容的额定纹波电流与工作频率相关，称为额定纹波电流的频率系数， Frequency coefficient of rated ripple current。下图显示的是尼吉康的某型号电解电容的额定纹波电流的频率系数。

额定纹波电流的频率系数指的是允许通过的纹波电流与通过电容的电流的比值，50Hz 0.7,表示电容工作频率50Hz时，允许通过的额定纹波电流为工作电流的0.7倍，这个值在120Hz时上升为1，在300Hz时上升为1.17，随频率增加，这也很好理解，因为在自谐振频率之前，电容ESR随频率增加而减小，所以，频率越高，允许通过的纹波电流越大。