电容的基础知识-作用、参数和类型

作为三大基础电子元件（电阻、电容和电感）之一，在实际应用中几乎找不到不含有电容的电路板。电容的组成其实非常简单，只是由两个极板中间夹着一层介质组成，是中学教材中最早涉及的元件之一，电容的作用也非常简单，无非就是充电和放电而已。

但是电容又是最为复杂的元件之一，虽然从初中就开始学习电容，但是一直到高中、大学甚至研究生的教材中都一直在讲解电容的特性和应用。尤其是在实际使用过程中，要考虑的远远不止课本中的容值这一参数，而且如果电容选择的不当，很有可能会使设计的电路无法正常工作。所以掌握好电容的基础特性，对于电路的分析和设计是十分必要的。

一、电容的作用

电容的基本作用是充电和放电，且两端电压不能突变，基本性质是通交流、阻直流，通高频、阻低频，根据这一性质延伸出来旁路、去耦、储能和耦合等不同作用。

1.旁路和去耦：

旁路和去耦都可以认为是滤波，只不过旁路电容一般放在信号的输入端，用于滤除输入信号中含有的噪声，而去耦电容则主要用于信号的输出端，用于滤除输出信号中含有的噪声。简单来说，滤波就是使直流信号中的交流成分（噪声）或者低频信号中的高频成分通过电容流向电源地。

去耦电容通常用于电源输出端和开关器件输出端，旁路电容通常用于IC的电源和信号输入引脚。Layout时要尽量使滤波电容（旁路和去耦）靠近芯片的输入或者输出引脚，以最大程度地提高输入信号的纯净度，并减少输出信号中含有的噪声对其他元件的干扰。

理论上容值越大，阻抗越低，通过的信号频率也越高，但是实际上超过1μF的电容大多是电解电容，含有很高的电感成分，频率升高后，阻抗会增大。所以会经常在电路中看到一个大电容和小电容并联，其中大电容主要用来滤除低频噪声，而小电容则用来滤除高频噪声。

2.储能

超级电容器是专门用于存储能量的电容，但是一般的电容也都有储能的作用，比如旁路电容和去耦电容除了能够滤除信号中的噪声，还兼具储能的作用，就像是一个电池，不断地进行充电和放电。

3.耦合

主要利用电容器通交流、阻直流的特性，使电路中的交流信号传递到下一级，同时隔断直流信号。

4.软启动

利用电容两端电压不能突变的特性，防止在打开开关的瞬间电压或者电流过大，损坏后级电路。

除了以上作用，电容和电阻组合使用还可以构成积分电路、微分电路、定时电路、自举电路等，这些会在后续推文中详细介绍。

二、电容的参数

标称容量、精度、额定电压、温度系数、等效串联电阻、等效串联电感、漏电流、绝缘电阻、损耗和频率特性、工作温度范围、使用寿命等。

温度系数：指在一定范围内，温度每变化1℃，容值的相对变化值，与介质材料和电容结构有关。

漏电流：由于电容介质并不是绝对不导电的，所以在一定电压下，流过介质的电流被称为漏电流（一般很微弱）。与环境温度、施加电压、电容容量、制造工艺等有关。

绝缘电阻：指电容电压与漏电流的比值。与介质的介电常数、介质厚度、介质面积等有关。

电容损耗：在电场作用下，电容因发热而消耗的能量，分为介质损耗和金属损耗，常用损耗角正切值表示。

等效串联电阻（ESR）：理论上电容在充放电过程中不会有能量消耗，但是由于介质损耗、端子引线等原因，会使电容消耗一部分能量，对外就类似一个电阻和电容串联在一起，这个电阻就被称为ESR。ESR的存在会使电容两端的电压发生突变，降低电容的滤波性能。是电容非常重要的参数之一

三、电容的类型

按照介质、作用和封装形式等可以将电容分为多个不同的类型，这里主要讨论不同介质类型的电容。主要有陶瓷电容、纸介电容、云母电容、独石电容、薄膜电容、金属化纸介电容、油浸纸介电容、铝电解电容、钽电解电容。

陶瓷电容：指以陶瓷为介质的电容，原材料丰富，结构简单，价格低廉，容量范围宽（几pF~几百μF），体积小，损耗小，因此应用非常广泛，分为高频瓷介电容和低频瓷介电容。

纸介电容：用很薄的特制电容纸作为介质，铝箔或锡箔作为电极并卷绕成型，然后接出引线，再经过漫渍处理，用外壳封装或环氧树脂灌封而成。具有体积小，容量较大（10pF~几十μF），工作范围宽（最高可达6.3kV），成本低，但是固有电感和介质损耗比较大，稳定性差。多用于低频电路。

云母电容：在云母片上喷涂银层制成电极板，将电极板和云母介质叠合后，再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成。具有介质损耗小、绝缘电阻大、温度系数小、精度高等特点，适用于高频电路，但是体积大，容量小（0.5~10^4^pF）。

独石电容：又称多层陶瓷电容器，简称MLCC，由多层绝缘介质加两个导电的金属电极组成。根据美国电工协会（EIA）的标准，可以根据温度稳定性将不同介质材料的MLCC分为三类：超稳定级（I类），如COG或NPO；稳定级（II类），如X7R；能用级（III类），如Y5V。其中，NPO的稳定性最好，几乎不随温度、时间和电压的改变而改变，但是容量最大只有100 nF，适用于对稳定性和可靠性要求较高的高频、特高频电路中。

X7R又被称为温度稳定型陶瓷电容器，当温度在-55℃+125℃时其容量变化为±15%，但是容量并不是呈线性变化的，容量范围为300pF3.3μF。Y5V的稳定性比X7R差，在-30℃ ~ +85℃范围内容量变化为-82%~+22%。

薄膜电容：以金属箔为电极，电子级塑料薄膜作为介质。根据介质材料的不同又分为聚乙酯电容、聚丙烯电容、聚苯乙烯电容、聚碳酸酯电容和涤纶电容等。其中，聚苯乙烯电容的绝缘电阻高达100GΩ，漏电流极低，介质损耗小，精度高，可在部分高频电路中替代云母电容，但是体积较大，工作温度。

聚丙烯电容（CBB电容）与聚苯乙烯电容的性能类似，但是体积较小，价格低，温度系数略大于聚苯乙烯。

涤纶电容具有介电常数较高，体积小，容量大，稳定性较好等特点，适宜做旁路电容。

铝电解电容：最常见的电容之一，由铝圆筒做负极，里面装有液体电解质，插入一片弯曲的铝带做正极制成。容量大（可以做到F级），成本极低，但是漏电流大，稳定性差，有正负极在电源滤波和低频电路中应用非常广泛。

钽电解电容：是所有电容中体积小而又能达到较大容量的产品，但是由于钽原料稀缺，所以价格较昂贵。钽电容的绝缘电阻大，漏电流小，温度特性好，有正负极，多用于要求较高的场合。

安规电容：指失效后，不会导致电击，不危及人身安全的电容器，主要用在开关电源中，分为X电容和Y电容。X电容是指跨接在零线和火线之间的电容，主要用于差模滤波。Y电容是指零线与地、火线与地之间的电容，主要用于共模滤波。