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电容知识

2013年12月11日 ⁄ 综合 ⁄ 共 2779字 ⁄ 字号 评论关闭

 

电容元件上电压不能跃变(例如当电容两端电压撤出时,电容电压不能立即消失)

 

从理论上(即假设电容为纯电容)说,电容越大,阻抗越小,通过的频率也越高。但实际上超过1uF的电容大多为电解电容,有很大的电感成份,所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容,这时大电容通低频,小电容通高频。电容的作用就是通高阻低,通高频阻低频。电容越大低频越容易通过,电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中,大电容(1000uF)滤低频,小电容(20pF)滤高频

 

对于一个方波信号,关键在于上升时间(决定频率),而不是方波周期

 

陶瓷电容体积小,价格低,稳定性好,但容量小。适合高频滤波。

钽电容温度稳定性好,ESL值小,高频滤波性能好,体积小,容值较大,但耐冲击电压和冲击电流的能力较弱, 钽电容在高温条件下其额定电压值降低,很容易被高压击穿,且其失效呈现的是短路状态,会直接造成电源的输出短路.

铝电解电容容量大,耐压高,但温度稳定性差,精度差,高频滤波性能差,仅适用低频滤波

 

对于芯片VCC的LAYOUT,原则上先进大电容再进小电容,大C->小C->CPU(这就是我们常常看到电路板上CPU背面很多贴片小电容,效果要好一些。因为小电容的谐振频率要比大电容高,靠近芯片能够使较高频率分量的回流路径较小,按上述顺序即可使回流路径大小与其频率成分高低成反比,这样在满足去耦功能的同时,也会降低电磁辐射

 

ESR:Equivalent Series Resistance, “等效串连电阻
我们认为电容上面电压不能突变,当突然对电容施加一个电流,电容因为自身充电,电压会从0开始上升。但是有了ESR,电阻自身会产生一个压降,这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的,这会降低电容的滤波效果,所以很多高质量的电源,都使用低ESR的电容器,所以在多数场合,低ESR的电容,往往比高ESR的有更好的表现。不过事情也有例外,有些时候,这个ESR也被用来做一些有用的事情。

  比如在稳压电路中,有一定ESR的电容,在负载发生瞬变的时候,会立即产生波动而引发反馈电路动作,这个快速的响应,以牺牲一定的瞬态性能为代价,获取了后续的快速调整能力,尤其是功率管的响应速度比较慢,并且电容器的体积/容量受到严格限制的时候。这种情况见于一些使用mos管做调整管的三端稳压或者相似的电路中。这时候,太低的ESR反而会降低整体性能。

ESL:Equivalent Series Inductance “等效串连电感

一般来说在低频段,器件的管脚引线以及PCB布线都可以等效为无阻抗的,但是高频段,这些东西开始呈现出电感的特性,频率越高,阻抗也开始增大,所以抽象为等效串连电感

 

所有电容都是由RLC电路组成,L是与引脚长度和结构相关的电感,R是引脚电阻,C为电容。串连的L和C会在某个频点谐振,而该频率点可以通过计算给出。谐振时电容的阻抗极低,能有效分流射频能量。频率高于电容的自谐振点时,电容就表现出电感的特性,并且感抗值随着频率的升高而变大,旁路和退耦的功能相应减弱。因此旁路和退耦的性能好坏很大程度取决于电容(表贴形式,插装形式)引脚的电感,电容与元件间的引线电感及连接焊盘(或过孔)的电感

 

 ESL取决于电容的类型和封装,ESR取决于工作稳定,频率,导线电阻等

滤波电容并联以展宽低阻抗频带时,不仅要考虑容值搭配,还需考虑封装搭配。多个同类型的电容并联时,虽不能展宽低阻抗频带,但可以减少谐振点处的阻抗

电容是无处不在的

    电容的用途非常多,主要有如下几种:

    1.隔直流:作用是阻止直流通过而让交流通过。

    2.旁路(去耦):为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。

    3.耦合:作为两个电路之间的连接,允许交流信号通过并传输到下一级电路

    4.滤波:这个对DIY而言很重要,显卡上的电容基本都是这个作用。

    5.温度补偿:针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响,而进行补偿,改善电路的稳定性。

    6.计时:电容器与电阻器配合使用,确定电路的时间常数。

    7.调谐:对与频率相关的电路进行系统调谐,比如手机、收音机、电视机。

    8.整流:在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。

    9.储能:储存电能,用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯,加热设备等等。(如今某些电容的储能水平已经接近锂电池的水准,一个电容储存的电能可以供一个手机使用一天。

 

   无机介质电容器:包括大家熟悉的陶瓷电容以及云母电容,在CPU上我们会经常看到陶瓷电容。陶瓷电容的综合性能很好,可以应用GHz级别的超高频器件上,比如CPU/GPU。当然,它的价格也很贵。

    有机介质电容器:例如薄膜电容器,这类电容经常用在音箱上,其特性是比较精密、耐高温高压。

    双电层电容器:这种电容的电容量特别大,可以达到几百f(f=法,电容量单位,1f=1000000μf)。因此这种电容可以做UPS的电池用,作用是储存电能。说句题外话,如果把地球算做一个孤立导体的话,那么它的容量只有700μf,还不如主板上用的一个铝电容。

    电解电容器:由于主板、显卡等产品使用的基本都是电解电容,因此这是我们要讲的重点。大家熟悉的铝电容,钽电容其实都是电解电容。如果说电容是电子元器件中最重要和不可取代的元件的话,那么电解电容器又在整个电容产业中占据了半壁江山。我国电解电容年产量300亿只,且年平均增长率高达30%,占全球电解电容产量的1/3以上。

 

 电解电容器特点一:单位体积的电容量非常大,比其它种类的电容大几十到数百倍。

    电解电容器特点二:额定的容量可以做到非常大,可以轻易做到几万μf甚至几f(但不能和双电层电容相比)。

    电解电容器特点三:价格比其它种类具有压倒性优势,因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料,比如铝等等。制造电解电容的设备也都是普通的工业设备,可以大规模生产,成本相对比较低。

 

1.铝电解电容。不管是SMT贴片工艺的(上图左,就是大家说的“贴片电容”,识别方式是底坐有黑色橡胶),还是直插式的,或者有塑料表皮的(上图右就是直插式有塑料表皮的,这个被很多人认为是“电解电容”),只要它们的阳极材质是铝,那么他们就都叫做铝电解电容。电容的封装方式和电容的品质本身并无直接联系,电容的性能只取决于具体型号,这个我们后面会详细说明。

 

钽电解电容。阳极由钽构成,就是那种我们在显卡上一见到就会惊呼“这个显卡做工真不错!”的那种黄色或黑色小颗粒。目前很多钽电解电容都用贴片式安装,其外壳一般由树脂封装(采用同样封装的也可能是铝电解电容)。但是,钽电容的阴极也是电解质,所以很不幸的,它也是大家十分瞧不起的“电解电容”的一种。(有种晴天霹雳的感觉吧?)。

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