什么是电容器以及有哪些不同类型？

作者：Rick Wiens，首席应用工程师

发布者：DigiKey

介绍

截至撰写本文时，保守估计显示 DigiKey 的库存电容器有超过 37,000 个唯一制造商部件号，如果包括包装变型则为 114k。仅仅维护这种 SKU 数量就需要大量的文书工作、大量的叉车里程以及大量与实物库存相关的现金。能够在收到订单后短短 15 分钟内对这些产品进行重新包装并将其送至装货码头准备装运，这堪称现代工业的一个小奇迹。为什么要在简单的两端元件上花费如此多的精力？电压和电流额定值的组合当然是一个因素，但更微妙的原因是电容器并不是那么简单。我们用来表示它们的示意性符号是为了方便而省略的，以及一些模糊的细节，这些细节通常a）相当重要，b）在学术界没有得到很好的对待。有些类型在故障或误用时往往会剧烈燃烧或释放有毒蒸气。其他类型会因废弃而减弱，并且在其额定极限内的压力下可能会失效。有些类型随着环境和应用变量的变化表现出广泛的参数变化，而其他类型则或多或少被忽视。做出明智的设计选择需要意识到并考虑这些不同的品质。该资源的目的是为读者提供易于吞咽胶囊中的电容器技术指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。其他类型会因废弃而减弱，并且在其额定极限内的压力下可能会失效。有些类型随着环境和应用变量的变化表现出广泛的参数变化，而其他类型则或多或少被忽视。做出明智的设计选择需要意识到并考虑这些不同的品质。该资源的目的是为读者提供易于吞咽胶囊中的电容器技术指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。其他类型会因废弃而减弱，并且在其额定极限内的压力下可能会失效。有些类型随着环境和应用变量的变化表现出广泛的参数变化，而其他类型则或多或少被忽视。做出明智的设计选择需要意识到并考虑这些不同的品质。该资源的目的是为读者提供易于吞咽胶囊中的电容器技术指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。该资源的目的是为读者提供易于吞咽胶囊中的电容器技术指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。该资源的目的是为读者提供易于吞咽胶囊中的电容器技术指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。

什么是电容器？

[电容器]是以电场形式存储电能的设备。该过程与机械弹簧以弹性材料变形的形式存储能量的方式非常相似，除了所使用的变量之外，描述两者的数学也非常相似。事实上，这种相似性可能是电气或机械工程专业的学生经常发现其他人的研究晦涩难懂的部分原因。 “v”对于电气工程师 (EE) 来说意味着“电压”，但对于机械工程师 (ME) 来说意味着“速度”，他们对弹簧的表示对于 EE 来说可能看起来很像电感器等。平行板电容器的概念是通常用作解释大多数实用电容器结构的起点。它由两个彼此平行放置并由绝缘体隔开的导电电极组成，绝缘体通常是几种聚合物、陶瓷材料、金属氧化物、空气或有时是真空中的一种。当极板之间的间隔距离相对于其面积较小时，这种电容器的值（对于具有机械思维的人来说，本质上是“弹簧常数”）可通过图 1 中的公式进行近似。然而，应该注意的是，按照惯例，机械弹簧常数和电容器值用尺寸倒数表示；机械弹簧常数通常以每单位位移的力（例如牛顿每米或磅力每英寸）来表示，而电容值以每单位力的位移（即库仑每伏特）来表示。陶瓷材料、金属氧化物、空气或偶尔为真空。当极板之间的间隔距离相对于其面积较小时，这种电容器的值（本质上是机械爱好者的“弹簧常数”）可通过图 1 中的公式进行近似。然而，应该注意的是，按照惯例，机械弹簧常数和电容器值用尺寸倒数表示；机械弹簧常数通常以每单位位移的力（例如牛顿每米或磅力每英寸）来表示，而电容值以每单位力的位移（即库仑每伏特）来表示。陶瓷材料、金属氧化物、空气或偶尔为真空。当极板之间的间隔距离相对于其面积较小时，这种电容器的值（本质上是机械爱好者的“弹簧常数”）可通过图 1 中的公式进行近似。然而，应该注意的是，按照惯例，机械弹簧常数和电容器值用尺寸倒数表示；机械弹簧常数通常以每单位位移的力（例如牛顿每米或磅力每英寸）来表示，而电容值以每单位力的位移（即库仑每伏特）来表示。当板之间的间隔距离相对于其面积较小时，可通过图 1 中的公式进行近似。然而，应该注意的是，按照惯例，机械弹簧常数和电容器值用尺寸倒数表示；机械弹簧常数通常以每单位位移的力（例如牛顿每米或磅力每英寸）来表示，而电容值以每单位力的位移（即库仑每伏特）来表示。当板之间的间隔距离相对于其面积较小时，可通过图 1 中的公式进行近似。然而，应该注意的是，按照惯例，机械弹簧常数和电容器值用尺寸倒数表示；机械弹簧常数通常以每单位位移的力（例如牛顿每米或磅力每英寸）来表示，而电容值以每单位力的位移（即库仑每伏特）来表示。机械弹簧常数通常以每单位位移的力（例如牛顿每米或磅力每英寸）来表示，而电容值以每单位力的位移（即库仑每伏特）来表示。机械弹簧常数通常以每单位位移的力（例如牛顿每米或磅力每英寸）来表示，而电容值以每单位力的位移（即库仑每伏特）来表示。

图 1：平行板电容模型。

实际上，板不必是平的；也可以是平的。卷起、折叠、弄皱、堆叠、切片、切丁和切丝的几何形状也可以工作，尽管随着几何形状变得更加复杂，所涉及的数学可能会变得相当混乱。那么，要制作更大的电容值，可以使用更大面积的极板、减小间隔距离（即介电材料的厚度）或增加材料的介电常数。搞乱 ε0 几乎需要创造一个替代宇宙，这在政治领域之外是一件相当困难的事情。但这个“介电常数”到底是什么？很好的问题；它本质上是材料的一种特性，描述了它们在施加电场的情况下通过多种机制中的任何一种变得电极化的能力。这些机制可能是在原子水平上，其中原子核周围的电子云被移位，导致原子的一侧带有轻微的正电荷，而另一侧带有相应的负电荷。它也可以在分子水平上发生，这是由于电极分子的方向响应于施加的场而变化，或者通过分子内原子之间的键的弯曲和拉伸，非常类似于机械弹簧中的材料弯曲或拉伸。如果原子情况下的电子不会“吹走”并与相邻的原子核重新结合，并且在分子情况下分子不会被电场力撕裂，则该材料将起到绝缘体的作用；当施加电场时，它不支持持续的电荷流动，尽管当由于原子周围电子的移动或分子的重新定向/扭曲而建立电场时，它确实有效地允许一些电荷流动。去除所施加的电场可以使电介质中的电子恢复到其所附着的原子核周围的正常分布，或者使物质中的分子恢复到其原始的随机方向或形状。在此过程中，施加电场时流过电容器的大部分电荷返回到电路，以相反的方向流动。材料的（相对）介电常数描述了材料促进这种暂时电流流动的程度（相对于真空的程度）。对于给定面积、间隔距离和施加场强，允许与真空相同量的电荷转移的材料的介电常数为 1。允许两倍于真空的电荷转移的材料的介电常数为 2，等等不同电容器类型的细微差别在很大程度上取决于所用电介质的特性以及给定器件的构造方法。所有介电材料都有局限性，包括给定材料厚度下它们可以承受的最大应用场、介电常数、介电材料和电极中发生的损耗以及流过或“泄漏”通过介电体的电流量当施加的电场恒定时。间隔距离和施加的场强的介电常数为 1。允许两倍于真空的电荷转移的材料的介电常数为 2，等等。不同电容器类型的细微差别在很大程度上取决于特性所使用的电介质以及构造给定器件的方法。所有介电材料都有局限性，包括给定材料厚度下它们可以承受的最大应用场、介电常数、介电材料和电极中发生的损耗以及流过或“泄漏”通过介电体的电流量当施加的电场恒定时。间隔距离和施加的场强的介电常数为 1。允许两倍于真空的电荷转移的材料的介电常数为 2，等等。不同电容器类型的细微差别在很大程度上取决于特性所使用的电介质以及构造给定器件的方法。所有介电材料都有局限性，包括给定材料厚度下它们可以承受的最大应用场、介电常数、介电材料和电极中发生的损耗以及流过或“泄漏”通过介电体的电流量当施加的电场恒定时。不同电容器类型的细微差别在很大程度上取决于所用电介质的特性以及给定器件的构造方法。所有介电材料都有局限性，包括给定材料厚度下它们可以承受的最大应用场、介电常数、介电材料和电极中发生的损耗以及流过或“泄漏”通过介电体的电流量当施加的电场恒定时。不同电容器类型的细微差别在很大程度上取决于所用电介质的特性以及给定器件的构造方法。所有介电材料都有局限性，包括给定材料厚度下它们可以承受的最大应用场、介电常数、介电材料和电极中发生的损耗以及流过或“泄漏”通过介电体的电流量当施加的电场恒定时。它们的介电常数、电介质材料和电极中发生的损耗，以及当施加的电场恒定时流过或“泄漏”通过电介质的电流量。它们的介电常数、电介质材料和电极中发生的损耗，以及当施加的电场恒定时流过或“泄漏”通过电介质的电流量。

电容器的非理想特性

对于许多用途，实际电容器可以使用相对简单的集总元件模型来表示，该模型由理想电容器和几个附加组件组成。

血沉

等效串联电阻（用R esr表示在图 2 所示的模型中）描述了与通过电容器移动电荷相关的损耗。电极和引线材料的电阻是一个影响因素，介电材料本身内发生的损耗也会发生，并且通常占主导地位。 ESR 与电容器选择的相关性是双重的：1) 它影响电容器的交流响应，2) 由于热限制，它对允许流过电容器的交流电流量施加限制。与任何其他电阻器一样，电流流过电容器的 ESR 会导致 I2R 损耗，从而导致电容器内的温度升高，从而缩短器件的使用寿命。 ESR 受器件类型和结构的影响，也不同程度地受温度和测试频率的影响。在很多情况下，电容器的 ESR 并不直接在数据表中给出，而是以 Q、耗散因数 (DF) 或 Tan δ 等汇总数字的形式进行传达。所有这些都是电容器的 ESR 和容抗的商 (XC ) 表达方式不同。 Tan δ 和耗散因数的计算公式为 ESR/X C ，本质上是相同的数字，但应注意耗散因数通常以百分比表示，而不是简单的无量纲因数。 Q 只是 Tan δ 的倒数，或 X C /ESR。

图 2：典型的电容器符号与包含建模为集总元件的非理想属性的原理图对比。

英语作为第二语言

等效串联电感源自器件引线的部分自感、因电路内器件引线的几何形状而形成的线圈等。在集总模型近似中，ESL 由理想电感器 (L esl )表示：与理想电容器串联（C nom ) 代表器件的标称电容值。 ESL 与电容器选择的相关性主要在于其对交流响应的影响。正如集总模型所示，实际电容器的行为类似于串联 LCR 电路。随着所施加的交流电压的频率增加，ESL 的感抗增加到等于器件的容抗的点，并且电容器表现为电阻器。在高于该点的频率下，电容器实际上是一个电感器。

泄漏

漏电流被建模为与集总模型中的理想电容器并联的相对较大值的电阻器。这是因为电容器内使用的介电材料不是完美的绝缘体，并且在施加恒定电压时允许一定量的直流电流通过电容器。漏电与电容器选择的相关性取决于应用；它可能是微功率应用中的功耗问题、精密模拟应用中的误差源或电源应用中的可靠性/热管理问题。

极化

极化是大多数电解电容器的非理想特性，它依赖于通过电化学作用形成的电介质。以不正确的极性向此类电容器施加电压会导致用于创建电容器介电层的电化学过程发生逆转。这种电化学破坏介电层的过程会导致高于规定的漏电流，并且随着变薄的介电层在施加电压的应力下开始击穿，漏电流会加剧。由于漏电流会导致内部发热，并且温度升高会导致漏电流增加，因此当（错误）施加的电压的源阻抗较低时，会发生级联效应，从而可能导致相当严重的灾难性故障。非极化电解电容器（实际上是两个背靠背放置的极化电容器）可用于施加电压极性未知或偶尔可能反转的应用，但使用时需要谨慎。

介电吸收

电介质吸收，也称为“浸泡”，是指电容器电介质内的能量存储，其吸收和释放的时间范围比器件标称电容和 ESR 预测的时间范围要长。在集总元件模型中，它可以表示为与设备标称电容并联的电阻器和电容器（或其多个实例）的串联连接。实际上，这意味着电容器在直流电势下保持一段时间，然后短暂放电，似乎会在某种程度上自行充电。在另一个示例中，在放电曲线的快速变化部分期间，通过保持在直流电位的电容器的电阻器放电一段时间将通过通常的指数方程很好地建模。然而，在曲线的“长尾”部分，电容器将提供比通常的 RC 放电方程预测的电流更高的电流。这种现象在精密模拟电路中可能会出现问题，但在高电压、高电容设备（例如许多功率因数校正或直流总线滤波应用中使用的设备）中会带来潜在的致命安全隐患。目前和历史上用于此类应用的许多类型的电容器都是最容易通过电介质吸收来存储能量的电容器，其中一些电容器能够“自充电”到先前施加的电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害（烧伤或心脏骤停是两种可能性）或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。这种现象在精密模拟电路中可能会出现问题，但在高电压、高电容设备（例如许多功率因数校正或直流总线滤波应用中使用的设备）中会带来潜在的致命安全隐患。目前和历史上用于此类应用的许多类型的电容器都是最容易通过电介质吸收来存储能量的电容器，其中一些电容器能够“自充电”到先前施加的电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害（烧伤或心脏骤停是两种可能性）或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。这种现象在精密模拟电路中可能会出现问题，但在高电压、高电容设备（例如许多功率因数校正或直流总线滤波应用中使用的设备）中会带来潜在的致命安全隐患。目前和历史上用于此类应用的许多类型的电容器都是最容易通过电介质吸收来存储能量的电容器，其中一些电容器能够“自充电”到先前施加的电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害（烧伤或心脏骤停是两种可能性）或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。高电容器件，例如许多功率因数校正或直流总线滤波应用中使用的器件。目前和历史上用于此类应用的许多类型的电容器都是最容易通过电介质吸收来存储能量的电容器，其中一些电容器能够“自充电”到先前施加的电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害（烧伤或心脏骤停是两种可能性）或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。高电容器件，例如许多功率因数校正或直流总线滤波应用中使用的器件。目前和历史上用于此类应用的许多类型的电容器都是最容易通过电介质吸收来存储能量的电容器，其中一些电容器能够“自充电”到先前施加的电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害（烧伤或心脏骤停是两种可能性）或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。有些能够“自充电”至先前施加电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害（烧伤或心脏骤停是两种可能性）或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。有些能够“自充电”至先前施加电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害（烧伤或心脏骤停是两种可能性）或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。

____ 对 _____ 的依赖

在第一个空白处，插入任何感兴趣的设备参数；电容、ESR、ESL、泄漏、寿命等。在第二个中插入大多数应用参数；温度、电压、频率、时间等。两者之间存在关系，并且取决于设备类型和结构。其中一些关系不是特别强，通常可以忽略不计，而另一些关系则比 800 磅重的大猩猩更强，更不易被忽视。因此，在进行设备选择时应考虑这种关系的存在和相关性。

老化

一些电容器类型的特性表现出显着的变化，这些变化的时间尺度比大多数感兴趣的电信号长得多，就像 Krispy Kreme® 甜甜圈在离开油炸锅后随时间变化的特性一样。从设计、制造或校准的角度来看，这可能会带来问题；例如，刚从回流炉中出来时测试正常的设备可能在一周后不符合规格。

麦克风/压电效应

回想一下，两个平行板之间的电容方程是电极间距/电介质厚度的强函数；如果极板之间的距离改变（例如通过施加机械力），电容也会改变。如果电容发生变化但存储的电荷量保持恒定，则电容器端子上的电压与电容的变化成反比变化。结果是电容器在机械和电气领域之间提供了一种转换机制，通常称为颤噪效应，因为它与舞台表演、便携式电子产品等中使用的音频麦克风相似/应用。这种效果对于这些领域非常有用。应用程序，但当它导致机械信号意外耦合到电路中时，也可能会出现问题，成为噪声源，或更糟糕的是，成为意外的反馈路径。转导机制也是双向的；在电容器端子上施加电压会导致机械力施加到电极上，而机械力又会机械耦合到周围环境中，例如作为可听噪声。尽管由于静电力（“静电粘附”背后的现象）而存在于所有电容器中，但它在采用压电介电材料的设备中最为明显。此类材料响应机械应变而产生电荷，并在受到电场作用时向另一个方向发生机械变形。由于压电效应每施加伏特会产生比静电力大得多的机械力，因此在采用压电材料的电容器中，电气和机械领域之间的耦合要强得多。

图 3：插图强调了电容器作为音频/机械传感器的功能。

电容器的失效机理

电容器（像所有其他人类发明一样）最终会失效，无论是参数失效还是灾难性失效。参数故障是指设备继续运行，但逐渐退化到不再满足性能规格的情况。另一方面，灾难性故障的特点是设备特性发生突然、剧烈的变化，导致不符合规范的行为，其中可能包括自拆卸、燃烧、白炽等。

介电击穿

介电击穿失效是一种电气状况，其中介电材料的绝缘特性无法将漏电流维持在指定水平以下。介电击穿故障通常是由于施加的电压超过设备的额定限制或超出规定的热限制而导致的，这些故障往往是自加重的低阻抗（短路）故障。因此，尽管某些类型的电容器能够优雅地承受轻微的电介质击穿事件，但它们通常非常引人注目。由于电介质击穿和热故障既可能是原因，也可能是结果，因此有时很难将故障事件归为其中之一所致。

热的

热故障是由于器件温度过高而发生的故障。在温度过高导致电介质击穿事件的情况下，通常是短路故障。热故障也可以被认为是一种长期现象，即在高温下长时间运行会导致器件参数变化超出允许的限度。

机械的

机械故障是指设备的物理损坏是故障的直接原因，可能表现为参数不合规格、短路或开路。陶瓷电容器经常遇到机械故障，通常是在制造和组装过程中引起的，但也可能由于滥用或不良的机械设计而在现场发生。

常见的通用电容器规格有哪些

额定电压

电容器的额定电压表示应施加到设备的最大电压。评级的背景很重要；在某些情况下，它可能指示最大安全工作电压，在其他情况下，它可能更类似于半导体的“绝对最大”额定值，应对其应用适当的降额系数。

宽容

电容器的容差描述了设备在指定测试条件下，特别是交流测试电压和频率下应表现出的与标称电容值的偏差极限。引用的容差数据包括由于制造过程中的变化而导致的与标称值的稳态偏差，并且可能（在极少数情况下）还包括在规定的工作温度范围内由温度引起的电容值变化。应该注意的是，测试条件（温度、频率、幅度和测试电压的直流偏置值等）常常对观察到的器件参数有很大影响。

安全等级

设计用于故障可能对人员或财产安全造成风险的应用（通常涉及交流线路电压）的电容器，根据以下标准指定了字母数字安全等级，例如 X1、X2、Y1、Y2 等。监管标准。 “X”级设备经过认证，适用于故障预计不会造成电击危险的应用，例如“线对线”应用，而“Y”级设备经过认证，适用于故障会造成电击危险的应用，例如“线对地”应用。名称中的数字表示浪涌电压的耐受程度，如 IEC 60384-14 等适用监管标准中所规定。设备还可能具有多个安全评级，表明其经过认证可在不同情况下使用；例如，具有 X1Y2 安全等级的电容器可用于需要 X1 等级以及需要 Y2 等级的应用。

电介质/电极类型

电容器的特点在于其构造所使用的材料，并且在某种程度上还在于其工作机制。例如，“陶瓷”电容器使用陶瓷材料作为电介质； “铝电解”电容器是使用铝电极和电解质溶液等形成的。通常对一般电容器类型内的介电特性（以及因此的器件性能特性）进行进一步规范，特别是在陶瓷电容器类型中。需要注意的一个常见区别是电解电容器类型和非电解电容器类型之间的区别。电解电容器使用通过电化学方式就地形成的介电材料，通常通过氧化电极材料的表面，而非电解电容器（通常称为“静电”电容器）使用的介电材料通常通过各种机械过程形成，并且不是电极材料本身的化学衍生物。这种区别很有用，因为这两种设备类别本身具有共同的特征，只需识别给定设备是否为电解类型，就可以粗略地预测给定设备的质量和应用适用性。一般来说，电解电容器单位体积电容量大、有极性、成本低、损耗大、参数稳定性差。相比之下，非电解器件类型的额定值往往较大、非极性、相对昂贵、损耗低，并且除了少数值得注意的例外之外，表现出相当出色的参数稳定性。这种区别很有用，因为这两种设备类别本身具有共同的特征，只需识别给定设备是否为电解类型，就可以粗略地预测给定设备的质量和应用适用性。一般来说，电解电容器单位体积电容量大、有极性、成本低、损耗大、参数稳定性差。相比之下，非电解器件类型的额定值往往较大、非极性、相对昂贵、损耗低，并且除了少数值得注意的例外之外，表现出相当出色的参数稳定性。这种区别很有用，因为这两种设备类别本身具有共同的特征，只需识别给定设备是否为电解类型，就可以粗略地预测给定设备的质量和应用适用性。一般来说，电解电容器单位体积电容量大、有极性、成本低、损耗大、参数稳定性差。相比之下，非电解器件类型的额定值往往较大、非极性、相对昂贵、损耗低，并且除了少数值得注意的例外之外，表现出相当出色的参数稳定性。一般来说，电解电容器单位体积电容量大、有极性、成本低、损耗大、参数稳定性差。相比之下，非电解器件类型的额定值往往较大、非极性、相对昂贵、损耗低，并且除了少数值得注意的例外之外，表现出相当出色的参数稳定性。一般来说，电解电容器单位体积电容量大、有极性、成本低、损耗大、参数稳定性差。相比之下，非电解器件类型的额定值往往较大、非极性、相对昂贵、损耗低，并且除了少数值得注意的例外之外，表现出相当出色的参数稳定性。

工作温度范围

电容器的（工作）温度范围表示设备合格使用的温度范围。当单独指定时，存储温度范围是指非活动状态下的存储不会对器件造成损坏或在正常温度范围内操作时导致不可逆的参数变化的温度范围。对于未组装的器件，可以制定有关存储的进一步（更严格）的环境规范，以确保铅饰面材料不会降解到妨碍正确组装的程度。与大多数其他合格参数不同，在设备指定温度范围之外（特别是在较低温度下）通常可以轻松运行，前提是采取措施考虑由此产生的参数变化，并且温度偏移不会导致设备的机械损坏。由于存在与温度相关的磨损和故障机制，在高于设备额定极限的温度下运行更加危险，但在设备寿命不是一个重要问题的情况下通常是可能的。然而，这种不合规格的操作由设计者承担风险，并且需要在设备鉴定方面给予应有的谨慎。然而，这种不合规格的操作由设计者承担风险，并且需要在设备鉴定方面给予应有的谨慎。然而，这种不合规格的操作由设计者承担风险，并且需要在设备鉴定方面给予应有的谨慎。

纹波电流额定值

电容器的纹波电流额定值表示应允许通过电容器的最大交流电流。由于流经电容器的电流会因欧姆和介电损耗而导致自热，因此给定设备可以承受的电流量是有限的，并且受到环境条件的影响。

寿命

许多电容器，尤其是铝电容器，具有很强的磨损机制，限制了其使用寿命。寿命规格是指设备在指定操作条件下的预期使用寿命。请注意，使用寿命的定义可能有所不同；一种常见的定义是在特定条件下（通常接近额定最大值）的服务期限，在此期限内，50% 的现场设备预计会出现故障。有些规范更严格，有些规范可能更宽松。

军用、高可靠性和既定的可靠性

对于不能容忍器件故障的应用，可以使用根据定义的协议生产和测试的电容器，以便提供器件可靠性的统计保证。特别敏感的应用通常要求通过有记录的渠道采购组件，这样可以通过生产过程追溯给定组件的来源，以确保设备的完整性并在发生故障时促进根本原因分析。在撰写本文时，MIL-HDBK-217F 通知 2 是预测电子设备可靠性最广泛使用的指南，尽管 Telcordia 制定的程序也已被广泛使用，特别是在电信行业。

封装和安装类型

与大多数电子元件一样，电容器有多种封装和安装类型。器件特性和常见应用限制会影响可用选项，其中可能包括表面安装器件、轴向和径向引线通孔类型以及底盘安装类型。

什么是[铝电容器]？

铝电容器是属于“电解”电容器范畴的一系列器件。因此，它们以相对较低的成本在小型封装中提供高电容值。为了获得这些理想的品质，它们的电气性能和使用寿命往往相对较差。尽管铝电容器不适合除最野蛮的信号相关应用之外的所有应用，但铝电容器却是直流电源相关功能的主要应用。提供三种不同的类型；标准铝电解电容器、该主题的双极变体以及包含导电聚合物电极的新型电容器。将该系列称为“铝电容器”而不是“铝电解电容器”是对后一种不包含传统液体电解质的器件类型的致敬。

图 4：不同封装形式的铝电容器。 LR、表面安装、通孔安装和底盘安装。 （不按比例）

装置构造

标准铝电解电容器由两片高纯度铝箔组成，由间隔材料（例如浸有电解质溶液的纸）交错和分隔。这些箔片通常在微观水平上进行蚀刻，其有效表面积比箔保持光滑时增加了数百倍。通过含氧电解质溶液向箔片施加电压，在其中一个箔片（在标准铝电解电容器中）上形成一层氧化铝，该层用作电容器的介电材料。这样做会导致电解液中的氧气与铝箔表面结合，形成氧化层，其厚度与形成过程中施加的电压成正比，并由要生产的电容器的预期工作电压决定。通常，该氧化层的厚度约为 1 微米或 0.00004 英寸。下面的未氧化金属形成铝电解电容器的电极之一。另一个电极不是第二片箔片，而是电解质溶液。在标准铝电解电容器中，第二个箔片没有故意形成的氧化层，只是用于与电解质进行电接触，因为很难将液体焊接到电路板上......在双极电容器中，氧化层形成在两个铝片上，从而形成一个实际上是两个反向串联电容器的装置。因为电解液是液体（铝聚合物电容器除外，如果它是导电聚合物材料），它能够符合蚀刻和氧化箔片的微观结构，从而在电容器的两个电极之间形成大面积。由于介电材料（氧化铝）非常薄，因此最终结果是电容器具有高值；根据基本电容器方程，电容与电极面积成正比，与电极间隔距离/电介质厚度成反比。将引线附接到箔片上，将组件缠绕、折叠或以其他方式成形以适合容器（通常也由铝制成），并且使用橡胶密封塞密封组件。由于故障情况可能导致内部压力增大，因此大多数铝电容器还包括以相对安全的方式排出此类压力的装置。在较大的设备中通常使用专用机构来实现此目的，而较小的设备通过仔细设计橡胶密封塞和/或容器刻痕来实现保护性排气功能，以便在内部压力过大时容器以相对受控的方式破裂。 。包括标准型、双极型和聚合物型。

可用电容和电压范围

图 5：撰写本文时，DigiKey 提供的铝电容器的电压/电容额定值范围图。

应用的优点和缺点

铝电容器的主要优点是能够在小型封装中提供大电容值，并且成本相对较低。此外，它们往往具有良好的自愈特性；当氧化铝介电层中出现局部薄弱点时，流过介电薄弱点的漏电流增加会引起类似于介电层初始形成期间所使用的化学反应，导致介电层增厚弱点，从而减少漏电流。铝电容器的缺点主要与（a）其构造所用材料的化学反应性质、（b）电解质溶液的导电特性以及（c）液体电解质的挥发性有关。铝电容器所用材料的化学反应性质存在两点问题：介电层的稳定性和器件的长期机械完整性。由于这些器件中的氧化铝介电层是通过电化学过程形成的，因此它也可以通过简单地反转所施加的电压而被电化学过程侵蚀。这就是为什么大多数铝电容器都是有极性的；应用极性错误的电压会导致电介质快速腐蚀和变薄，从而导致高漏电流和内部过热。从机械完整性的角度来看，将高活性金属（铝）与腐蚀性电解质溶液混合是一个微妙的提议；电解质成分错误可能导致过早失效，2000 年代初期的“电容器瘟疫”就是明证。铝电解电容器的另一个缺点是所使用的电解质不是特别有效的导体，因为电解质溶液中的传导是通过离子传导而不是电子传导实现的。离子（由于电子过剩或缺乏而带有电荷的原子或其小组）不是在作为电荷载体的原子之间移动的松散电子，而是在整个溶液中移动。由于离子比电子体积大，因此它们不易移动，因此离子传导通常比电子传导具有更高的电阻。这种情况的程度很大程度上受温度影响；温度越低，电解质溶液中的离子越难在溶液中移动，这会转化为更高的电阻。因此，电解电容器往往具有相对较高的 ESR，与温度呈很强的负相关。铝电容器（固体聚合物类型除外）的第三个主要缺点是，液体电解质溶液会随着时间的推移而蒸发，最终通过橡胶密封塞扩散、安全通风口结构泄漏或泄漏到大气中。类似的现象。铝电容器（固体聚合物类型除外）的第三个主要缺点是，液体电解质溶液会随着时间的推移而蒸发，最终通过橡胶密封塞扩散、安全通风口结构泄漏或泄漏到大气中。类似的现象。铝电容器（固体聚合物类型除外）的第三个主要缺点是，液体电解质溶液会随着时间的推移而蒸发，最终通过橡胶密封塞扩散、安全通风口结构泄漏或泄漏到大气中。类似的现象。

常见用途和应用

铝电容器主要用于需要相对大值、低成本电容器的直流电源应用，而交流性能和参数随时间的稳定性并不是特别重要。此类应用包括电源应用中整流交流线路电压的大容量滤波以及低频开关电源中的输出滤波等。由于铝电容器相对较高的 ESR 与其大标称电容串联形成的时间常数，因此铝电容器作为当纹波频率接近 100 kHz 时，此类产品往往会很快失去吸引力。不过，设备优化差异很大，任何给定设备的有用频率限制可能低至几 kHz 到 1 MHz。铝电解电容器通常不适用于不希望器件参数随环境和操作条件而出现高损耗和大范围变化的应用，其中包括大多数模拟信号路径。

常见故障机制/关键设计考虑因素

电解质损失

大多数铝电容器中的液体电解质会随着时间的推移而蒸发，导致 ESR 增加和电容减少。这是一种磨损机制，通常是铝电解电容器使用寿命的限制因素。尽管应用和存储条件会影响指针移动的速度，但时钟在设备制造出来后立即启动并且不会停止。温度是决定电解质损失率的主要因素，阿伦尼乌斯方程对此进行了很好的描述，该方程大致预测温度每变化 10°C，工艺速率将发生两倍的变化。换句话说，在所有其他因素相同的情况下，将电解电容器的温度降低 10°C，其预期使用寿命大约会增加一倍。电解质损失还受到大气压力的影响，较低的压力会导致电解质损失加速。极端低压环境可能会导致并非针对此类环境设计的设备发生外壳破裂或安全通风口打开的情况，从而比在较高环境压力下更快地导致故障。当根据阿累尼乌斯关系和制造商规定的寿命规格估计电容器寿命时，必须考虑纹波电流引起的自热；电容器的内部温度是感兴趣的量，而不仅仅是应用的环境温度。对于高海拔或低压操作，请咨询制造商的规格，因为需要降低规定的使用寿命，在环境压力下降至零，此时电解质的蒸气压与外部环境压力之间的差异将导致电容器的安全通风口打开。请注意，蒸气压通常随着温度的升高而增加，从而导致工作温度和最大允许工作高度之间的权衡。

电解液故障

不正确的电解质配方可能会导致内部组件快速腐蚀和/或铝电容器中气压升高，从而导致过早失效。据报道，这种机制是 2000 年代初期许多消费电子设备中铝电解电容器普遍过早失效的原因。除了独立测试和评估之外，避免此问题（事实证明这对许多公司来说极其昂贵）的最佳方法是仅从信誉良好的制造商处直接或通过制造商授权的分销商购买产品。从可疑来源购买廉价电子元件很像凌晨 2 点在城镇贫困地区的街角从陌生人那里购买塑料袋装的药品……不要这样做。

电压过应力

当施加在铝电解电容器上的电压超过规定限值时，通过氧化铝介电层的漏电流迅速增加，从介电材料内的局部“薄”点开始。漏电流的增加导致器件内的局部发热增加。如果不限制漏电流，增加的局部加热可能会对介电层造成进一步损坏，导致介电材料的级联故障和电容器的损坏。

电流过载

铝电解电容器通常具有相对较大的 ESR 值，这主要是由于电解质溶液的电阻率造成的。流经该电阻的交流电流会导致欧姆加热，从而导致电解质损失并增加电介质击穿事件的风险。应该注意的是，铝电解电容器的表观电容与频率相关。因此，制造商提供的纹波电流规格应根据应用中存在的纹波频率进行解释。铝电解电容器的最大纹波电流值通常在 120 Hz 和 100 kHz 时引用，因此在选择器件时不仅要注意观察引用的纹波电流值，还要注意引用该数字的测试频率。

老化导致的电压过应力

由于电介质形成过程的电化学性质，在零施加电压下长时间存储会导致氧化铝电介质层退化。随着电介质减弱，即使施加的电压可能在设备的额定限制范围内，也可能会发生电压过应力情况。在轻微的情况下，唯一的症状可能是泄漏电流增加和设备温度暂时升高，直到设备自愈。在严重的情况下，通过严重退化的电介质上的低源阻抗施加最大额定电压，设备可能会发生短路并以惊人的方式破裂。尽管已经并继续开发电解质配方来解决该问题，但不同产品的储存稳定性差异很大，有些在放电状态下仅储存 1 至 3 年后就出现了可测量的退化。在设计可能长时间处于休眠状态的应用时，建议对器件进行适度的电压降额，以提高针对这种影响的安全裕度。还建议使用专门设计的能够抵抗储存降解的产品。在维修/重新调试情况下，对萎缩铝电解电容器的一般规定处理方法是在 4-8 小时内逐渐施加系统电压。执行此操作之前，请验证设备不会因在低于规格的电源电压下长时间运行而损坏。在设计可能长时间处于休眠状态的应用时，建议对器件进行适度的电压降额，以提高针对这种影响的安全裕度。还建议使用专门设计的能够抵抗储存降解的产品。在维修/重新调试情况下，对萎缩铝电解电容器的一般规定处理方法是在 4-8 小时内逐渐施加系统电压。执行此操作之前，请验证设备不会因在低于规格的电源电压下长时间运行而损坏。在设计可能长时间处于休眠状态的应用时，建议对器件进行适度的电压降额，以提高针对这种影响的安全裕度。还建议使用专门设计的能够抵抗储存降解的产品。在维修/重新调试情况下，对萎缩铝电解电容器的一般规定处理方法是在 4-8 小时内逐渐施加系统电压。执行此操作之前，请验证设备不会因在低于规格的电源电压下长时间运行而损坏。还建议使用专门设计的能够抵抗储存降解的产品。在维修/重新调试情况下，对萎缩铝电解电容器的一般规定处理方法是在 4-8 小时内逐渐施加系统电压。执行此操作之前，请验证设备不会因在低于规格的电源电压下长时间运行而损坏。还建议使用专门设计的能够抵抗储存降解的产品。在维修/重新调试情况下，对萎缩铝电解电容器的一般规定处理方法是在 4-8 小时内逐渐施加系统电压。执行此操作之前，请验证设备不会因在低于规格的电源电压下长时间运行而损坏。

设备功能、选项和目标应用

声音的

用于音频应用的铝电解电容器通常是低 ESR 类型，其结构中的设计妥协可能会偏向于有利于电气性能和参数稳定性，但会牺牲尺寸和成本等因素。然而，应该指出的是，音频领域充满了主观主义和旨在将傻瓜与他们的钱分开的营销，这种影响甚至渗透到组件层面。如果电容 A 的标签更漂亮，而且成本是电容 B 的十倍，那么显然电容 A 更好，对吗？不必要。检查规格，了解哪些规格对于当前的应用很重要，然后选择最能满足应用要求的设备。除非您正在构建一些东西来出售给愿意花费数百或数千美元购买“定向”扬声器电缆的人。在这种情况下，请选择最物有所值的东西……

汽车

针对汽车应用的器件通常设计为具有长寿命和在扩展温度范围（至少可达 105°C）下运行的特点。大多数都符合 AEC（汽车电子委员会）标准。

双极

双极电解电容器的设计目的是，通过在标准铝电解电容器中使用的两个箔片（而不是仅一个）上形成氧化膜，在承受改变极性的电压时不会损坏。由于此类器件的 ESR 高，通常认为它们不适合在连续施加的交流电压下运行，因此有时被称为“无极性直流电容器”以强调这一点。它们的使用通常仅限于直流应用，其中所施加的极性不确定，有时可能会瞬态反转，或者流过器件的电流可以限制在不会导致过度自热的值。

一般用途

“通用”是对那些并非专门为解决特定应用类别而设计的设备的总称，并且其结构没有主要的区别特征。

高温回流焊

指定为“高温回流”类型的器件经过设计和认证，适用于制造过程中遇到较高工艺温度的应用，如无铅/符合 RoHS 的回流焊接操作中常见的情况。

电机运行

具有此名称的铝电解电容器专为连续工作、高纹波应用而设计，例如变速电机驱动和逆变器应用。

电机启动

具有此名称的铝电解电容器通常设计用于交流电机启动应用。通常它们是双极的，额定电压为几百伏，值在几十到几千微法之间。

聚合物

该名称与使用固体导电聚合物而不是液体电解质作为电解质材料的铝电解电容器相关。通常，与同类液体电解质器件相比，它们在高温下表现出更好的稳定性、更低的 ESR 和更长的使用寿命，尽管可用性受到相对较低的电容和电压额定值的限制，并且给定电容和电压额定值的器件成本明显高于类似的液体电解质类型。

不锈钢外壳

具有此名称的设备采用坚固的不锈钢外壳设计，能够承受电容器内部和外部之间高于典型的压差。与大多数其他设备相比，这允许在较低的大气压力下运行，并且由于能够减少电解质损失而允许更长的预期运行寿命。通常，这些设备也相当昂贵。

什么是[陶瓷电容器]？

陶瓷电容器是静电器件，其特征在于使用各种陶瓷介电材料，这些材料通常基于钛酸钡（BaTiO 3 ）。它们是非极化的，其特征涵盖了大部分数量-质量范围，可能稍微偏向质量。结构和介电性能的多种变化可满足不同的应用需求，这种广泛的适用性与相对低成本的结构一起使陶瓷电容器成为当前使用中最受欢迎的电容器类型（按销售的设备数量计算）。

装置构造

图 6：左：多层陶瓷片式电容器 (MLCC)；右：通孔盘式电容器。

早期的器件被构造为两个金属电极之间的单层陶瓷介电材料（通常为圆形）。引线固定在金属电极上，并将组件封装在绝缘材料（通常是陶瓷或环氧树脂）中。虽然这种结构类型仍然存在于用于交流线路或高压应用的设备中，但基于这种结构方法的设备很少（如果有的话）适合表面安装，这限制了它们对许多应用的吸引力。如今更常见的是多层陶瓷片式电容器 (MLCC)，它使用交替、交错的电极和介电材料薄层，以便在较小的整体封装体积中实现较大的电极表面积。这种装置是通过挤压未烧制的陶瓷“粘土”薄片来构造的，在其上通过类似于丝网印刷的工艺沉积细碎形式的电极材料。将许多这样的“片材”堆叠并压在一起以形成所需数量的电极层，切割成单独的电容器，并在高温炉中烧制以硬化陶瓷介电材料并融合电极金属中的颗粒。然后应用端接，并且通过最终检查的设备被包装以便运输。并在高温烘箱中烧制，使陶瓷介电材料硬化并融合电极金属中的颗粒。然后应用端接，并且通过最终检查的设备被包装以便运输。并在高温烘箱中烧制，使陶瓷介电材料硬化并融合电极金属中的颗粒。然后应用端接，并且通过最终检查的设备被包装以便运输。

图 7：简化的 MLCC 生产流程。 （来源：维基共享资源）

可用电容和电压范围：

图 8：撰写本文时 DigiKey 提供的陶瓷电容器电压/电容组合范围的图示。

应用的优点和缺点

陶瓷电容器（尤其是 MLCC）因其多功能性、经济性、耐用性和普遍良好的电气特性而赢得了广泛的青睐。在其应用领域重叠的情况下，陶瓷电容器相对于用于大功率处理的其他类型（铝、钽等）通常具有良好的特性，而相对于薄膜或在稳定性和精度要求最高的情况下使用的其他类型而言，陶瓷电容器的特性稍差。必需的。陶瓷电容器的多功能性体现在可用值的范围上，如图 8 所示，电容值跨越约 9 个数量级，电压跨越约 4 个数量级；能够跨越如此广度的技术并不多。在大多数情况下，陶瓷电容器结构中使用的原材料并不是特别昂贵并且得到了有效利用，虽然需要高度的精度和过程控制，但基本的制造过程并不复杂。这些特性共同使得 MLCC 每年生产数十亿个，单位成本往往低于美分。从应用的角度来看，它们非常适合长期应用；本质上是耐用材料（金属和陶瓷）的层状蛋糕，它们不具有强烈的磨损机制，对温度、压力或电压反转没有严重的脆弱性，也没有电解装置所遇到的泄漏、燃烧或毒性的风险。由于陶瓷电容器不像电解设备那样依赖相对高电阻的电解质溶液来运行，因此陶瓷电容器的 ESR 往往相当低，并且它们的内部几何形状（以及短引线长度、在许多情况下，对于 MLCC，电路板布局是 ESL 的主要贡献者。陶瓷电容器的应用弱点包括机械脆弱性、缺乏自愈能力、高电容值的成本以及对环境和电气操作条件的不同程度的参数依赖性，具体取决于陶瓷介电材料的具体配方。与大多数陶瓷物体一样，陶瓷电容器非常脆弱且缺乏灵活性。因此，它们很容易因机械应力或热冲击而损坏，并且需要在最终产品的组装和维修过程中仔细减轻这些因素。陶瓷电容器相对惰性的“钢石”结构的缺点是不存在自愈机制。导致电介质击穿的应力往往会对设备造成不可恢复的损坏，因此必须将实质性的安全因素纳入额外的电介质厚度中，因为电介质中的薄弱点在生产过程中不易被“烧毁”。这导致陶瓷电容器的每法拉成本相对较高（与电解电容器相比），并且随着设备尺寸的增加，机械损坏的风险也随之增加，导致陶瓷电容器的吸引力/可用性降低，其值超过几十微法拉。最后，许多陶瓷介电配方在参数上不稳定，或者与温度和介电应力呈线性关系，其程度通常与其介电常数成正比。最后，高值陶瓷电容器通常不适合精密应用。

重要的设计考虑因素

温度特性和介电分类

常用的陶瓷介电材料有多种，但其体积效率、温度依赖性、损耗特性和其他非理想行为差异很大。不同的设备根据其温度特性进行分类，并采用 EIA（电子工业协会）和 IEC（国际电工委员会）以及美国军方和其他标准机构多年来建立的不同分界线和标识系统。这些系统的共同点是电容的质量和数量之间的区别。用于精密模拟和谐振电路应用的低损耗/高稳定性/温度线性类型与提供单位体积​​高电容的类型不同，但代价是稳定性和线性度较差。IEC 标准将针对电容质量和数量设计的电介质分别指定为 1 类和 2 类。与 IEC 标准一样，EIA 标准将注重质量的电介质指定为 I 类（罗马数字，并不总是使用），尽管它将 IEC 2 类设备细分为 EIA II 类和 III 类。 EIA II 类器件是指在整个温度范围内的参数稳定性方面保留一定程度的器件（在指定范围内+/- 15% 或更好，通常为 -50°C 至 85°C 或更高），而 EIA III 类器件电介质为了追求体积效率而放弃了所有温度稳定性的伪装，在更窄的温度范围内具有更宽的参数变化； +10° 至 +85°C 范围内 +22%/-56% 或 -30°C 至 +85°C 范围内 +22%/-82% 是常见的 III 级限值。图 9 以图形方式说明了这一现象，显示了一家制造商对具有几种不同温度特性的电介质的表征。

图 9：几种不同介电类别的陶瓷电容器随温度变化的典型电容变化。 （源数据：AVX 表面贴装陶瓷电容器产品目录，v13.10）

每个通用介电类别都有各种介电配方，按 1 类介电材料的电容温度系数分类，以及其他器件类别在指定温度范围内电容变化的限制。图 9A 的表中显示了一些分类方案的“秘密解码器环”。采用 IEC 1 类（EIA I 类）电介质的 MLCC 设计具有受控、指定的电容温度系数；这些器件的电容是温度的线性函数。 EIA I 类器件的介电分类指示该线的斜率和所述斜率的容差。相比之下，II 类和 III 类陶瓷的介电分类表明了两个量的外部边界：1) 电容随温度的变化，以相对于标准温度（通常为 25°C）下的值的百分比表示；2) 边界适用的温度范围。在这些限制内，没有暗示温度特性的斜率；大多数甚至不是单调的，更不用说线性了。

图 9A：显示 EIA 和美国军事分类方案下不同指示符所表示的行为限制的表格。

关于 IEC 2 类（EIA II/III 类）电介质的分类，应注意两个重要的观察结果：

1. 它们表明电容变化仅随温度变化。其他影响不包括在 ΔC 数据中，并且这些影响可能很重要。 （参见电容电压系数部分）
2. 它们并不是介电配方的绝对规定，只是仅根据温度行为对器件进行分组的一种方法。不同的部件号（特别是具有不同封装尺寸的部件）在给定的应用中可能表现不同，即使它们具有相同的值、容差、额定电压和介电分类。

公差规格

陶瓷电容器的制造公差和温度行为规范之间的区别很容易被误解，这可能是由于数字大小经常相似、通常以百分比表示的做法以及不完善的语言规则。准确地说，陶瓷电容器的“公差”规格表示在标准测试条件下由于制造差异而导致的器件值的允许变化。它通常指定为标称值的百分比，指的是在标准化测试条件下具有相同部件号的不同设备之间相对于标称值的变化。换句话说，它是衡量生产线零件均匀性的指标。相比之下，陶瓷电容器的“温度特性”表示任何给定设备的电容在该设备规定的工作温度范围内随温度变化的程度。术语“温度系数”最适合使用 I 类电介质的器件，其或多或少具有线性温度依赖性，而术语“温度特性”更适合使用 EIA II 类和 III 类电介质的电容器，其表现出明显的非线性电容随温度变化。其或多或少具有线性温度依赖性，而术语“温度特性”更适合使用 EIA II 类和 III 类电介质的电容器，这些电容器的电容随温度明显呈现非线性变化。其或多或少具有线性温度依赖性，而术语“温度特性”更适合使用 EIA II 类和 III 类电介质的电容器，这些电容器的电容随温度明显呈现非线性变化。

图 10：[Vishay BC Components]D471K20Y5PH6UJ5R 陶瓷电容器的容差与温度的关系。

例如，部件号[BC5214CT-ND]是一种陶瓷圆盘电容器，指定具有标称 470 pF 电容、+/-10% 容差和 Y5V 温度特性。在指定的测试条件下测量，具有该 P/N 的器件应表现出 423 pF 至 517 pF 之间的电容；这是设备容差，表明图​​ 10 左侧图表中红线上的某个点应该描述具有该部件号的设备。然而，Y5V 温度特性表明，在 -30°C 至 +85°C 之间的温度下测量时，相对于标准测试条件下的值，器件电容可能会额外变化 +22%/-82%。换句话说，只要器件的电容与温度关系图（使用指定的测试信号、指定的温度历史记录等进行测量）符合规范，器件就可以满足规范。) 垂直停留在蓝框内并穿过红线；在盒子的水平（温度）限制之外，一切都会发生。当考虑到温度特性时，我们发现这个（标称）470 pF 电容器可以表现出 76 到 630 pF 之间的电容（25°C 除外），但仍完全在规格范围内。通过添加老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反器件的指定限制。这里“耐受性”和“温度特性”之间的区别显然非常重要；如果应用程序偏离室温太多，设计人员错误地认为设备的值将在标称值的 10% 以内，那么他们可能会感到失望。比较零件编号比较零件编号比较零件编号在盒子的水平（温度）限制之外，一切都会发生。当考虑到温度特性时，我们发现这个（标称）470 pF 电容器可以表现出 76 到 630 pF 之间的电容（25°C 除外），但仍完全在规格范围内。通过添加老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反器件的指定限制。这里“耐受性”和“温度特性”之间的区别显然非常重要；如果应用程序偏离室温太多，设计人员错误地认为设备的值将在标称值的 10% 以内，那么他们可能会感到失望。比较零件编号在盒子的水平（温度）限制之外，一切都会发生。当考虑到温度特性时，我们发现这个（标称）470 pF 电容器可以表现出 76 到 630 pF 之间的电容（25°C 除外），但仍完全在规格范围内。通过添加老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反器件的指定限制。这里“耐受性”和“温度特性”之间的区别显然非常重要；如果应用程序偏离室温太多，设计人员错误地认为设备的值将在标称值的 10% 以内，那么他们可能会感到失望。比较零件编号我们发现这个（标称）470 pF 电容器可以表现出 76 到 630 pF 之间的电容（25°C 除外），但仍完全符合规格。通过添加老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反器件的指定限制。这里“耐受性”和“温度特性”之间的区别显然非常重要；如果应用程序偏离室温太多，设计人员错误地认为设备的值将在标称值的 10% 以内，那么他们可能会感到失望。比较零件编号我们发现这个（标称）470 pF 电容器可以表现出 76 到 630 pF 之间的电容（25°C 除外），但仍完全符合规格。通过添加老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反器件的指定限制。这里“耐受性”和“温度特性”之间的区别显然非常重要；如果应用程序偏离室温太多，设计人员错误地认为设备的值将在标称值的 10% 以内，那么他们可能会感到失望。比较零件编号通过添加老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反器件的指定限制。这里“耐受性”和“温度特性”之间的区别显然非常重要；如果应用程序偏离室温太多，设计人员错误地认为设备的值将在标称值的 10% 以内，那么他们可能会感到失望。比较零件编号通过添加老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反器件的指定限制。这里“耐受性”和“温度特性”之间的区别显然非常重要；如果应用程序偏离室温太多，设计人员错误地认为设备的值将在标称值的 10% 以内，那么他们可能会感到失望。比较零件编号如果应用程序偏离室温太多，设计人员错误地认为设备的值将在标称值的 10% 以内，那么他们可能会感到失望。比较零件编号如果应用程序偏离室温太多，设计人员错误地认为设备的值将在标称值的 10% 以内，那么他们可能会感到失望。比较零件编号[490-3271-2-ND]和[490-5920-2-ND];两个 0.1 uF、25 V 电容器均采用 EIA 0402 封装。前者使用具有 Y5V 特性的 III 类电介质，容差为 -20%~+80%，在撰写本文时，每件数量的标价为 0.00399 美元。后者使用具有 X5R 特性的 II 类电介质，具有 +/-10% 的容差，售价为 0.00483 美元。图 10 右侧的图表中绘制了因考虑温度特性而产生的公差带和窗口。与上一张图表一样，如果装配线上下来的器件的实际电容随温度变化，则其符合规格。停留在各自的盒子内并穿过垂直线@ 25°C。 X5R（II 类）器件比 Y5V（III 类）器件更接近标称值三倍以上，并且在更宽的温度范围内实现这一点，而对于 II 类器件，由于制造变异性和温度的综合影响，最大和最小器件值之间的比率几乎要小十倍。不到 1/10 美分就可以减少所需的设计余量、提高生产良率、降低测试要求、延长产品寿命等。这样的好处是值得每一分钱的，但它们的成本并不高。

电容电压系数

陶瓷电容器的电容随直流偏置电平的变化而变化。换句话说，使用平均为 0 V 的 1 V P-P大小波测量设备的电容将产生与使用直流偏移为 10 V 的 1 V 正弦波测试同一设备时不同（通常更大）的值。效应源于由于施加电压梯度而施加在电介质晶体结构上的应力，因此与电介质厚度/器件额定电压成比例；在其他条件相同的情况下（很少有这种情况……），额定电压为 100 V ~DC 的设备所需的直流偏置电压是额定电压为 25 V ~DC的设备的四倍~~为了表现出相同比例的电容变化。毫不奇怪，该效果也受到介电配方的影响。 EIA I 类电介质表现出相对较小的电压系数，当直流偏置在设备额定电压的 0% 和 100% 之间变化时，观察到的电容通常最多变化几个百分点（通常较小）。 EIA II 类电介质明显更容易受到 DC 偏压的影响，电容变化约为 20-60%，这是正常情况。这种变化当然不容小觑，但明显比 EIA III 类电介质所表现出的变化严重，后者通常表现出比额定电压高出 80-90% 或更多的电容变化。不，这不是一个拼写错误；使用 EIA III 类电介质材料的陶瓷电容器的有效电容可能会因为直流偏置而发生一个数量级的变化。这种影响也可能是不利的非线性的；当偏置仅达到其额定直流电压的 20% 时，某些器件的电容可减少 75%。更糟糕的是，这种效应是随温度效应累积的（尽管不是线性相加的）。 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 静电容量变化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 (-100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 静电容量变化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 (-100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 静电容量变化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 ([CGB2A1X5R1C105K033BC]）0603（[C1608X5R1C105K080AA]）0805（[C2012X5R1C105K085AA]）。

图 11：封装尺寸对直流偏置效应的影响。来源：数据来自 TDK Components Characteristic Viewer 在线工具。

也许更令人惊讶（并且阴险）的是直流偏置效应的大小与器件封装尺寸之间的关系。将越来越大的电容塞进越来越小的封装中，在某些方面需要做出妥协，如图 11 所示，该图显示了来自同一制造商产品系列的三种不同 1 uF/16 V/X5R 电容器的电容变化与直流偏置的函数关系；它们之间的主要区别只是封装尺寸。较小包装的成本是显而易见的；采用 EIA0805 封装的器件（绿色）在 5 V 偏置下表现出几个百分点的电容损失，而更激进的 0402 封装器件（蓝色）在相同条件下损失了近 70%，而采用 0603 封装的器件（红色） ）介于两者之间。认识到许多应用都涉及直流偏置和维护一些最小电容（例如低压差稳压器的输出滤波器）的兴趣，因此，无知可能会带来不愉快的损失，这是显而易见的。不幸的是，这些电压相关效应的描述实际上并不是器件数据表的一部分，因此很容易忽视或忽视它们的存在，并使比较不同产品的工作变得复杂。但请放心，它们确实存在，并在选择设备时牢记这一事实。很容易忽视或忽视它们的存在，并使比较不同产品的工作变得复杂。但请放心，它们确实存在，并在选择设备时牢记这一事实。很容易忽视或忽视它们的存在，并使比较不同产品的工作变得复杂。但请放心，它们确实存在，并在选择设备时牢记这一事实。

开裂

由于陶瓷材料的脆性和相对刚性，机械损伤是陶瓷电容器失效的主要原因。故障的电气症状可能表现为电容减少以及短路或开路。在某些情况下，这些症状可能会随着温度等外部影响而出现或消失。有时，陶瓷电容器中的裂纹用肉眼就能看到，有时它们太小而看不见，或者隐藏在安装设备的底部或端子的边缘。机械损坏通常是通过以下几种机制之一造成的：

• 组装过程中或由于连接器配合力、粗暴搬运等导致的电路板弯曲。
• 操作温度循环或装配操作产生的热应力。
• 由于组装前或组装过程中处理不当造成的直接损坏。

到目前为止，由于陶瓷材料、端子和 PCB 之间的紧密机械耦合，多层陶瓷芯片 (MLCC) 类型是最常见的裂纹受害者。通孔或引线框架安装器件的相对较长且灵活的端子减少了因温度循环或电路板弯曲而施加到陶瓷电容器主体上的力，从而使这些器件不再需要担心破裂。对于使用条件恶劣的应用，可以使用在端子和陶瓷器件主体之间提高机械灵活性的 MLCC，以及旨在降低短路故障风险的器件。许多电容器破裂的原因都与装配有关，超出了设计者的直接控制范围；例如，装配商有责任避免在拾取和放置操作期间压碎和粉碎组件，并为所使用的装配过程提供适当的预热和冷却时间。其他因素（例如焊膏用量/焊膏模板厚度）是共同的责任，而焊盘尺寸、电路板布局和封装选择等因素则完全取决于设计人员。 MLCC破裂现象及其避免的详细讨论可在行业文献中找到，为简洁起见，在此不再重复。然而，设计师从这些来之不易的知识中提炼出的几条经验法则如下：以及为所使用的装配工艺提供适当的预热和冷却时间。其他因素（例如焊膏用量/焊膏模板厚度）是共同的责任，而焊盘尺寸、电路板布局和封装选择等因素则完全取决于设计人员。 MLCC破裂现象及其避免的详细讨论可在行业文献中找到，为简洁起见，在此不再重复。然而，设计师从这些来之不易的知识中提炼出的几条经验法则如下：以及为所使用的装配工艺提供适当的预热和冷却时间。其他因素（例如焊膏用量/焊膏模板厚度）是共同的责任，而焊盘尺寸、电路板布局和封装选择等因素则完全取决于设计人员。 MLCC破裂现象及其避免的详细讨论可在行业文献中找到，为简洁起见，在此不再重复。然而，设计师从这些来之不易的知识中提炼出的几条经验法则如下：MLCC裂纹现象及其避免的详细讨论可在行业文献中找到，为简洁起见，此处不再重复。然而，设计师从这些来之不易的知识中提炼出的几条经验法则如下：MLCC破裂现象及其避免的详细讨论可在行业文献中找到，为简洁起见，在此不再重复。然而，设计师从这些来之不易的知识中提炼出的几条经验法则如下：

• 选择经验丰富、注重质量的装配承包商。
• 避免热冲击；对于 MLCC 来说，波峰焊和传统烙铁是特别危险的组装和返工方法。
• 减小元件尺寸；较大的器件由于电路板弯曲而承受更大的应力，并且更容易因热冲击而损坏。建议使用 0805（2012 公制）或更小包装的设备。
• 组装后分离镶板时要格外小心，以避免板弯曲。沿着刻痕线手动破坏阵列是最不受欢迎的方法，剪刀也紧随其后。如果可能，请使用锯或其他不会向 PCB 施加弯曲应力的分离方法。
• 使 MLCC 远离电路板边缘、连接器、安装孔、大型/重型元件、面板选项卡或可能向 PCB 引入机械应力的其他点。建议最小距离为 0.2 英寸或 5 毫米。

老化

陶瓷电容器会出现与介电晶体结构变化相关的老化现象，这表现为介电材料初始烧制后电容和损耗因数的变化。根据既定模式，EIA I 类电介质受影响最小，并且被广泛认为不会老化，而 EIA II 类电介质材料受到中等程度的影响，EIA III 类材料往往受到相当严重的影响。通过暴露于高于电介质居里温度的温度足够长的时间以允许晶体结构重新形成，可以重置该老化过程（或器件“去老化”）；温度越高，所需时间越短。由于许多陶瓷电介质的居里温度低于许多焊接工艺中遇到的居里温度，因此器件在组装过程中可能至少部分去老化。设备的这种老化行为通常以每十小时电容变化的百分比来表示，相对于“最后一次加热”时测量的电容；上次将器件加热到居里温度以上足够长的时间以完全改变其晶体结构时。换句话说，老化率为 (-) 5% 且在“新鲜烤箱”状态下测量为 100 uF 的电容器在从烤箱中取出 1、10 和 10 年后预计测量值约为 95、90 和 85 uF。分别为100小时。显然，这引起了设备的标称电容应该是多少的问题，如果该数量不断变化，即使设备以其原始包装放置在架子上未使用。行业标准 EIA-521 和 IEC-384-9 谈到了这个问题，主要规定设备应在最后一次加热后 1000 小时（约 42 天）内满足其指定的容差值。接下来的十年时间标记（10K 和 100K 小时）分别相当于 1 年多一点和 11 年多一点。使事情变得复杂的是，老化过程以与温度相关的速率进行。当达到电介质的居里温度时，器件温度的升高通常会加速老化过程。由于老化现象可能导致设备看起来超出其规定的公差，因此产品设计和生产测试人员必须注意这一事实；最近回流组件的测试应该预期电容值有点高，并且设计应该有足够的余量，以便随着设备老化而正常工作。电源转换电路是这种效应可能造成严重危险的一个很好的例子，因为陶瓷电容器通常最终会对此类电路的控制环路产生强烈影响，无论是作为补偿网络组件还是作为滤波器元件。在组装过程中电容器去老化的影响下看起来稳定的系统可能会随着时间的推移而变得不稳定，因为老化造成的电容损失会影响控制环路的动态。最重要的是，如果随着时间的推移保持稳定的电容值很重要，则应避免明显老化的电容器。西西弗斯是21世纪的人物吗？他的任务可能是调整使用表面贴装 Y5V 陶瓷片电容器构建的有源滤波器……

压电效应/麦克风效应

IEC 2 类（EIA II 类和 III 类）陶瓷电介质本质上具有压电特性，因此在电气和机械领域之间产生了重要的传导机制。在压电材料上施加电压会导致机械变形，相反，使压电材料机械变形会导致其上出现电压。由于电容器和 PCB 之间的机械耦合紧密，这对于表面贴装 MLCC 来说尤其可能存在问题。一方面，施加在电容器上的纹波电压可能会转化为令人烦恼的可听噪声；另一方面，外部机械振动可以作为信号耦合到电子电路中。基于 1 类电介质的陶瓷电容器受到的影响最小，因为这些电介质几乎没有压电效应。然而，通过静电效应（所有电容器所固有）的机电转换机制仍然存在，因此虽然对于 I 类设备来说通常可以忽略不计，但颤噪效应仍然存在。

电极冶金

MLCC 中的电极材料遵循两种通用冶金路径之一，称为贵金属电极 (NME) 或贱金属电极 (BME) 系统。虽然这不是大多数应用的通用选择标准，但这两种技术确实导致了值得注意的不同特征。贵金属电极通常基于钯银合金，也可以称为贵金属电极（PME），因为贵金属（相对不活泼的金属，特别是与氧的反应性相对较低的金属）也往往很昂贵。由于使用这些电极材料是因为它们的反应性低，而不是因为它们昂贵，因此可以说前一个术语是正确的，尽管原因和营销似乎在这一点上存在分歧……贱金属电极通常是镍基的。从生产的角度来看，当前的重要问题是电极金属在烧制陶瓷介电材料所需的高温下如何发生化学反应；贵金属电极系统可以在高温下耐受更多氧气的存在，因此可以使用空气气氛窑和需要氧气正确固化的介电配方来制造。贱金属电极系统在高温下对氧气的耐受性不同，因此必须使用不同的设备和介电配方进行制造。 NME方式是最初采取的路线，在可靠性和积累的行业经验方面具有一定的优势。因此，在撰写本文时，许多高可靠性和军用规格的产品都是使用此工艺生产的。主要缺点是电极材料成本高，并且相对于 BME 器件，单位体积可实现的电容较低，这是由于特性材料和工艺差异导致 NME 器件中通常使用较厚的介电层。

设备功能、选项和目标应用

汽车

以“汽车”类型销售的电容器设计用于机械要求较高的环境，例如汽车。通常，它们还根据某些协议进行生产和测试，例如汽车电子委员会制定的 AEC-Q200 标准，该标准规定了各种应力机制的测试方法和性能水平，例如 ESD、施加到端子的机械力、浪涌电压等

受控ESR

指定为“受控 ESR”类型的电容器在设计时故意添加了少量 ESR，以降低由电容及其寄生电感产生的 LC 电路的“Q”系数。这对于电源轨去耦等应用很有帮助，其中适量 ESR 的存在可以抑制具有迹线电感的电容器的“振铃”，或者有助于避免并联电容器之间的反谐振情况。

可环氧树脂安装

指定为可环氧树脂安装的设备设计为使用导电粘合剂而不是通常的焊接工艺进行安装。区别主要在于端子表面电镀所使用的材料不同，以便为所使用的安装方法提供良好的粘合效果；标准焊接工艺不适用于环氧树脂安装设备，反之亦然。环氧树脂安装对于遭受大而频繁的温度波动的应用（例如汽车应用）是有益的，其中环氧树脂接头相对于焊点增加了机械灵活性，减少了由于电路板之间的热膨胀系数不同而产生的机械应力，焊点和电容器体。环氧树脂安装对于热敏感应用（例如 LCD 面板）也很有用。

浮动电极

指定为“浮动电极”类型的设备实际上由与内部电极串联的多个电容器组成，这些电容器不连接到任一设备端子，而是保持“浮动”。这种构造方法的目的主要是为了降低短路故障模式的风险，短路故障模式通常是电容器破裂的二次效应而发生的，尽管它也具有抗 ESD 和浪涌电压的稳健性方面的优点。

高温

被指定为“高温”类型的设备（毫不奇怪）适用于温度高于大多数电子设备所遇到的温度的应用。通常，这也意味着“宽温度范围”，因为具有此名称的设备往往也指定用于电子设备常见工作温度范围的下限。该名称的不明显之处在于，大多数带有该名称的设备在温度和直流偏置方面都表现出相当令人印象深刻的参数稳定性。

高压/Arc Guard™/Arc Shield™

具有“高电压”和/或专有防电弧名称的电容器设计用于超出电子设备典型电压的应用电压。尽管分界线似乎落在 100 V 至 1 kV 范围内，但制造商之间对“高压”的定义有所不同。在这样的电势下，MLCC 技术开始遭受端子之间或端子与通过设备外壳连接到另一个端子的电极之间的表面电弧的困扰。这当然不是一件好事。虽然表面电弧对于任何在足够高的电压下的组件来说都是一个问题，但 MLCC 技术特别容易受到攻击，因为其紧凑的结构必然使两个器件端子及其连接的电极非常接近，增加电介质击穿和电弧的风险。增加设备尺寸来进行补偿是一种选择，但其代价是设备破裂的风险大大增加。设备如[Arc Guard™]和[Arc Shield™]系列产品旨在减轻这些影响，并改善介电击穿故障风险与机械裂纹风险之间的权衡方程。

高Q值/低损耗/低损耗因数

以高 Q、低损耗或低耗散因数类型销售的器件旨在最大限度地降低 ESR。通常，这些器件由 I 类介电材料制成，用于 RF 或其他高频应用，在这些应用中需要接近理想的电容器来实现鉴频目的。

集成泄放电阻

具有此名称的设备集成了并联电阻器，以确保设备断电时电容器上不会残留或累积电荷。截至撰写本文时，DigiKey 仅列出了 3 个带有此名称的部件号，所有这些部件都是非库存且价格昂贵。为什么？嗯，这些设备的数据表的营销（第一）页上列出的建议应用包括“引爆装置”和“电子引信”，这与您在大多数电容器数据表上看到的类型并不完全一样。 （不，应用笔记不可用......）

低ESL

低 ESL 陶瓷电容器旨在最大限度地减少串联电感。对于表面贴装 MLCC，大部分电感并不是部件本身固有的，而是与封装的几何形状以及将其连接到电路的引线有关。因此，低 ESL MLCC 大部分是标准器件的几何和引线配置变体。多端子低 ESL 器件为每个逻辑电容器端子使用多个物理端子，并以这样的方式交错它们，使进入和离开器件的电流产生的磁场在很大程度上抵消，从而降低电感。反向几何陶瓷电容器将器件端子放置在电容器的长边上，而不是像其他器件的标准做法那样放置在电容器的两端。堆叠式低 ESL 陶瓷电容器将多个 MLCC 器件连接在一个引线框架上，这样可以将它们作为一个单元进行处理和组装，并具有降低破裂和颤噪效应风险的优点。将此类器件描述为“低 ESL”是一种营销策略，因为它只有在与不同电容器技术进行苹果与橘子比较的情况下才准确。相对于直接安装到 PCB 的相同陶瓷电容器，安装的器件在引线框架上（将它们提升到电路板上方）将表现出明显更高的 ESL。低 ESL MLCC 的 X2Y 描述符是一个商标，不应与类似外观的安全指示符（例如“X1Y2”）混淆。就使用原因而言，这两个设备组之间存在一些远程相似之处，这些设备本身是完全不同的。低 ESL X2Y 电容器的额定电压低至 6.3V，并且允许每次发生短路故障，而安全级器件必须能够承受 kV 级浪涌，并避免像瘟疫一样的短路故障模式。也就是说，X2Y 低 ESR 电容器在低压电源去耦、共模滤波和类似应用中具有显着的优点。它们的显着特征是 4 端结构；两个端子电连接，既充当“直通”连接，又充当器件内两个单独电容器的公共端子，每个电容器使用剩余端子之一作为其第二电极连接。这种布置的几何形状可以减少去耦应用中与布局相关的电感，共模抑制等

低调

薄型电容器比长度和宽度相当的典型器件更薄，以便于在高度限制严格的应用中使用。提供厚度测量小至 0.006 英寸（0.15 毫米）的设备。应该指出的是，这些器件厚度的减小使得它们更容易因电路板弯曲而破裂，鉴于应用需要额外减少一毫米或两毫米的高度，因此仔细的设计、组装和处理程序就显得尤为重要。这些设备也可能使用更薄（因而更灵活）的电路基板。

军队

指定为“军用”并根据美国军方标准化零件编号方案采购的产品均按照军方制定的规格生产，以确保多个供应来源的产品一致性。传统的“军用规格”标准不仅规定了生产内容，还规定了生产方式，以确保不同供应商产品的一致性和可互换性。较新的 MIL-PRF 标准是基于性能的，并指定产品必须如何执行，而实现目标的精确方法主要取决于制造商。后一种方法提供的灵活性为采用新技术和制造工艺提供了更大的余地，但制造商之间和随着时间的推移产品行为变化的风险有所增加。在任一情况下，由于涉及广泛的测试和文档要求，按照军用规格采购的“真正”军用产品往往成本相当高。作为中间立场，可以使用按照军用规格生产但作为标准商业产品销售的产品，尽管没有大量文档。

无磁

非磁性电容器由既不会被磁铁吸引也不会受到磁铁不利影响的材料制成，并且不会影响它们所在的磁场。它们通常在制造后进行筛选，以确保最终产品保留这些特性。此类产品用于医疗成像和诊断设备、导航系统、实验室设备以及其他不希望设备受到磁场影响或保留会影响应用电路或其他设备操作的磁场的应用。

开放方式

作为“开放模式”器件销售的 MLCC 旨在降低因机械破裂而可能发生的短路或低阻抗故障模式的风险。实现这一目标的常用方法是减少两组电极之间的重叠面积，使得电路板应力裂纹的典型路径不会穿过电极重叠的区域。这样做会减少电容器内可用的有源面积，从而减少给定封装尺寸中可实现的最大电容值。这种方法可以与浮动电极和软端接技术相结合，以进一步降低与裂纹引起的 MLCC 故障相关的风险。虽然开路模式 MLCC 大大降低了短路故障的风险，需要指出的是，此类故障发生的概率仍然不为零。如果必须进一步降低短路故障的概率，行业文献中建议使用两个彼此成 90° 的串联装置。

软/灵活端接

市场上销售的具有软或柔性端子的 MLCC 旨在提供金属端子和陶瓷电容器主体之间的粘合，这种粘合比标准 MLCC 中的粘合更符合机械要求。这样可以减少由于电路板弯曲或温度循环而施加到陶瓷材料上的应力，从而降低开裂的风险。

什么是[双电层电容器]？

双电层和超级电容器：

装置构造及显着特征：

双电层电容器 (ELDC) 和超级电容器是一组类似电解的设备，其特点是单位体积电容极高，额定电压低（通常不超过几伏）。这些设备的构造类型和操作原理各不相同，并且是正在进行的研发工作的主题，但其中发现的共同主题是使用单位体积提供极高表面积的电极材料（例如活性炭、气凝胶等）和不存在传统的固体电介质。 ELDC、超级电容器和其他名称的类似器件取代了其他电容器类型中的传统陶瓷、聚合物或金属氧化物电介质，它们依靠各种电化学、静电和电荷转移效应来提供极小的电荷分离距离；电容器“极板”之间的距离通常以纳米为单位来测量。出于实际目的，ELDC、超级电容器和不同名称的类似设备可以被视为传统电容器和二次（可充电）电池之间的一种中间地带。它们的储能密度高于传统电容器，但低于电化学电池，ESR 值按电容器标准较高，但按电化学电池标准较低，并且与化学电池的循环寿命只有几倍相比，它们的循环寿命几乎无限期。数百到数千个周期。与电化学电池一样，多个 ELDC 可以集成到单个封装中，以产生具有更高标称电压的复合器件。相对于其他电容器类型，高 ESR 和较差的线性特性相结合，使得 ELDC 和超级电容器不适合大多数信号和高频 (>kHz) 应用，但它们对于人类尺度时间范围内的能量存储非常有用。在这个领域内，有一系列针对不同应用的设备。较小的器件可能具有高达几百欧姆的 ESR 值，适用于具有 uA 级电流要求的存储器和实时时钟备份电源等应用。另一端是具有分数毫欧 ESR 的设备，旨在用于电流高达数百安培的应用，例如车辆的再生制动系统。但它们对于人类尺度时间范围内的能量存储非常有用。在这个领域内，有一系列针对不同应用的设备。较小的器件可能具有高达几百欧姆的 ESR 值，适用于具有 uA 级电流要求的存储器和实时时钟备份电源等应用。另一端是具有分数毫欧 ESR 的设备，旨在用于电流高达数百安培的应用，例如车辆的再生制动系统。但它们对于人类尺度时间范围内的能量存储非常有用。在这个领域内，有一系列针对不同应用的设备。较小的器件可能具有高达几百欧姆的 ESR 值，适用于具有 uA 级电流要求的存储器和实时时钟备份电源等应用。另一端是具有分数毫欧 ESR 的设备，旨在用于电流高达数百安培的应用，例如车辆的再生制动系统。适用于具有 uA 级电流要求的存储器和实时时钟备份电源等应用。另一端是具有分数毫欧 ESR 的设备，旨在用于电流高达数百安培的应用，例如车辆的再生制动系统。适用于具有 uA 级电流要求的存储器和实时时钟备份电源等应用。另一端是具有分数毫欧 ESR 的设备，旨在用于电流高达数百安培的应用，例如车辆的再生制动系统。

可用电容和电压范围：

图 12 显示了撰写本文时 DigiKey 库存中的 ELDC 和超级电容器的电压和电容额定值。请注意，垂直刻度的单位为法拉，与类似图表中的微法单位相反。

图 12：撰写本文时可通过 DigiKey 获取 ELDC/超级电容器及其阵列的电容值与额定电压图。

常见故障机制/关键设计考虑因素：

ELDC/超级电容器保护伞下的器件之间的技术差异阻碍了对整个组的故障机制和关键设计考虑因素的详细讨论。然而，从应用的角度来看，足以注意到适用于铝电解电容器的问题或多或少直接转移到 ELDC 和超级电容器：

• 它们含有易蒸发的液体电解质溶液，阿累尼乌斯经验法则预测温度每升高 10°C，器件寿命将减半。应该注意的是，许多 ELDC/超级电容器的温度额定值相对较低，并且在涉及长时间充电循环的应用中，自热效应可能变得显着。此外，许多板上安装的设备不能承受回流焊接工艺，因此在组装过程中可能需要特别小心。
• 它们不应在高于额定电压的情况下运行。这样做会因电解液损失和/或介电击穿而导致故障。这对于采用有机电解质的设备尤其重要，因为故障期间释放的材料可能具有相当的毒性。
• 它们表现出显着的介电吸收和器件特性随温度变化的变化。此外，ELDC/超级电容器的漏电流通常相当高，特别是在由串联电容器组成的复合器件中。通常，此类设备需要某种形式的电路来平衡施加到每个设备的电压，以避免任何给定电池上因容量或泄漏电流不平衡而导致的过压情况。
• 根据 Q=C*V 方程，电容器在充电状态和输出电压之间呈现线性关系。这与电化学电池不同，电化学电池的输出电压通常具有较宽的、或多或少平坦的平台，作为其充电状态的函数。在许多/大多数应用中，这意味着需要某种形式的电源管理电路来充分利用 ELDC/超级电容器的全部容量。

什么是[薄膜电容器]？

图 13：各种封装样式和引线配置的薄膜电容器示例。 （不按比例）

装置构造

薄膜电容器类别中的设备本质上是静电的，并使用介电材料（例如纸或各种聚合物）制成，这些材料形成薄片或“薄膜”并与电极材料交错形成电容器。术语“薄膜电容器”通常指使用此类工艺制造的任何器件，术语“薄膜”是指所用介电材料的性质。当术语“金属”用作“薄膜”的限定词（如“金属薄膜”或“金属化薄膜”）时，它更具体地指的是薄膜电容器子类型，其中电极构建在支撑基板上通常通过真空沉积工艺形成非常薄的（十纳米）层。经常使用的基板也用作电容器的介电材料，尽管情况并非总是如此。相比之下，“箔”电极电容器使用的电极材料更类似于家用铝箔，其厚度足够（微米量级）以实现机械自支撑。

图 14：薄膜电容器中金属薄膜和箔电极类型之间的区别图解。

基于金属膜电极的薄膜电容器具有能够自愈的优点；电介质中局部故障附近的电极材料足够薄，可以被故障引起的漏电流蒸发，从而消除（或“清除”）它，但代价是损失一些电容。这种自愈能力允许使用比由于可靠性或生产良率问题而可能采用的更薄的电介质，并导致单位体积的高电容。箔电极电容器的优点是，较厚的电极会导致较低的 ESR，从而提供更好的 RMS 和脉冲电流处理能力，但代价是自愈能力和单位体积可实现电容的减少。基本薄膜和箔电极类型的许多巧妙组合和调整是常用的。例如，箔和薄膜电极通常使用“浮动电极”配置组合在单个设备中，该配置（如类似指定的陶瓷电容器）实际上是两个或多个串联连接的电容器。通过将“外部”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现一种具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常采用的技术是使用图案化薄膜电极。通过将电极分成许多互连的部分，互连可以充当熔断器，在自愈事件期间限制故障部位可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险。减少。箔和薄膜电极通常使用“浮动电极”配置组合在单个设备中，该配置（如类似指定的陶瓷电容器）实际上是两个或多个串联连接的电容器。通过将“外部”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现一种具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常采用的技术是使用图案化薄膜电极。通过将电极分成许多互连的部分，互连可以充当熔断器，在自愈事件期间限制故障部位可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险。减少。箔和薄膜电极通常使用“浮动电极”配置组合在单个设备中，该配置（如类似指定的陶瓷电容器）实际上是两个或多个串联连接的电容器。通过将“外部”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现一种具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常采用的技术是使用图案化薄膜电极。通过将电极分成许多互连的部分，互连可以充当熔断器，在自愈事件期间限制故障部位可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险。减少。它（与类似的陶瓷电容器一样）实际上是两个或多个串联的电容器。通过将“外部”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现一种具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常采用的技术是使用图案化薄膜电极。通过将电极分成许多互连的部分，互连可以充当熔断器，在自愈事件期间限制故障部位可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险。减少。它（与类似的陶瓷电容器一样）实际上是两个或多个串联的电容器。通过将“外部”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现一种具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常采用的技术是使用图案化薄膜电极。通过将电极分成许多互连的部分，互连可以充当熔断器，在自愈事件期间限制故障部位可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险。减少。通过将“外部”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现一种具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常采用的技术是使用图案化薄膜电极。通过将电极分成许多互连的部分，互连可以充当熔断器，在自愈事件期间限制故障部位可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险。减少。通过将“外部”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现一种具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常采用的技术是使用图案化薄膜电极。通过将电极分成许多互连的部分，互连可以充当熔断器，在自愈事件期间限制故障部位可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险。减少。通过将电极分成许多互连的部分，互连可以充当熔断器，在自愈事件期间限制故障部位可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险。减少。通过将电极分成许多互连的部分，互连可以充当熔断器，在自愈事件期间限制故障部位可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险。减少。

常见用法和应用：

某种形式的薄膜电容器是涉及施加到设备的电压反转的电源应用中的主要电容器技术。金属化薄膜类型由于其自愈特性以及在许多故障条件下无法打开的能力而非常适合安全评级的应用。金属箔类型通常用于需要较高纹波电流幅度的应用，例如启动/运行交流电机或为大容量配电提供容抗。此外，薄膜电容器通常用于需要相对较高电容值以及温度范围内的线性度和稳定性的低压信号应用，例如模拟音频处理设备。在诸如直流总线滤波等设备极性不反转的应用中，薄膜电容器可以替代铝电解电容器（反之亦然）。将薄膜电容器与具有相似电压和电容额定值的铝电解电容器进行比较时，薄膜电容器往往体积更大，成本更高，大约为 10 倍，但 ESR 值却低大约 100 倍。液体电解质消除了铝电解器件在低温下遇到的干涸和ESR增加的问题，并且它们不会像铝电解器件那样在长期停用期间遭受介电退化。此外，薄膜电容器较低的 ESR 特性可能允许使用比某些应用中电解装置所需的更小的电容值，抵消了薄膜技术相对于电解技术的成本劣势。

常见故障机制/关键设计考虑因素：

尽管薄膜电容器通常非常耐用，但它们容易受到一些长期磨损机制的影响。随着时间的推移，所使用的介电材料会变弱、变脆，其耐压能力也会下降，最终导致介电击穿失效。温度和电压应力会加速该过程，降低其中任何一个都可以延长使用寿命。根据电介质击穿事件的严重程度，所表现出的故障模式范围可以从相对良性到相当严重。通过薄膜电容器的自愈特性来阻止的轻度击穿事件将表现为电容的逐渐减小。随着时间的推移，越来越多的此类事件发生，累积效应会导致电容减少和 ESR 增加，直到设备的性能不再符合规格并且被认为在参数上出现故障。在更极端的情况下，如果参数故障的设备不从服务中移除，则可能会发生参数故障，当自愈过程中释放的热能促使附近出现额外的电介质击穿时，可能会发生级联故障。由于自愈事件会从电路中移除部分电容器，因此随着自愈的进行，应用应力会重新分布在器件不断缩小的部分上，从而导致施加在器件上仍有效的部分上的应力增加电路内。然后电容器的下一个最薄弱的部分就会失效，将其负担转嫁给剩下的部分，从而引发更多的击穿事件，更多的应力集中，以指数方式发生更多故障事件等。如果这个过程发生得足够快，自愈过程中产生的气态副产品就会产生足够的压力，使设备的外壳剧烈破裂。较大的设备通常包括一个通风机构，以限制/防止发生这种情况时飞溅碎片造成的附带损坏，并且还可能包括一个熔断机构，以在发生内部过压情况时将设备从电路中移除。请注意，如果参数发生故障的设备继续运行，则由于重复自愈而导致的参数故障可能只是导致更具灾难性、爆炸性故障的一个路径点。当超过峰值电流限制时，薄膜电容器中会出现另一种过应力失效模式，由于电容器“极板”与外部引线连接的区域存在类似保险丝的作用。这对于金属化薄膜类型来说尤其常见，因为它们的电极厚度非常小，并且与外界的连接非常脆弱。许多薄膜型电容器都会指定施加在电容器上的最大电压变化率 (dV/dt)。这相当于指定通过器件的峰值电流，因为 I(t)=C*dV/dt，尽管电压通常比电流更方便测量。环境条件也会影响薄膜电容器的寿命。与其他设备一样，高温会大大缩短设备的使用寿命。薄膜设备更独特的是容易受潮。长时间暴露在高湿度环境或组装后清洗周期可能会导致湿气通过器件引线周围的环氧树脂金属密封件的缺陷或通过器件的聚合物外壳扩散而进入器件。湿气进入在几个方面都是不好的；它既会降解介电材料，又会促进电极材料的腐蚀。特别是在电极厚度只有几十纳米的金属膜型设备中，只需很少的腐蚀就会引起问题。此外，高振动环境也可能会带来麻烦，因为它会导致器件引线、引线和电极之间的连接发生机械故障，或者加剧湿气进入问题。薄膜电容器可靠性和寿命的主导因素是施加电压，其次是温度。供应商的使用寿命模型各不相同，但通常都是基于将额定电压与施加电压的比率取为一个大指数（通常在 5 到 10 之间），而温度的影响则遵循阿伦尼乌斯关系，即每 10 变化 2 倍°C 温度增量。在这两种影响之间，电压降额 30% 和温度降额 20°C 会使使用寿命估计值增加近两位小数。将电压降额 30% 并将温度降额 20°C 会使使用寿命估计值增加近两位小数。将电压降额 30% 并将温度降额 20°C 会使使用寿命估计值增加近两位小数。

电介质类型、特性和目标应用：

丙烯酸纤维：

丙烯酸酯材料作为薄膜电容器的介电材料相对较新。目前可用的器件通常作为陶瓷电介质的回流兼容薄膜替代品销售，以避免压电效应和直流偏压造成的电容损失，或者作为较低 ESR 的钽替代品。

纸：

牛皮纸是最早用于薄膜电容器的介电材料之一，因为它在现代聚合物发展之前成本低廉且易于使用。通常用蜡、各种油或环氧树脂浸渍来填充空隙并抑制吸湿性，其低介电强度和高吸湿性导致纸张作为介电材料在很大程度上失宠，尽管它在以下应用中的用途仍然有限对成本极其敏感或对旧规范的变更极其难以实现的情况。由于与聚合物材料相比，金属膜可以相对容易地应用于纸张，因此纸张本身有时不用作介电材料，而是用作金属化电极材料的机械载体，使用非金属化聚合物（例如聚丙烯）作为实际电介质。

聚酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)：

聚酯，也称为聚对苯二甲酸乙二醇酯或 PET，与聚丙烯一样，是薄膜电容器中最常用的介电材料之一。相对于聚丙烯，聚酯通常具有较高的介电常数、较低的介电强度、较高的耐温性和较高的介电损耗。简而言之，聚酯电介质非常适合薄膜盖应用，这些应用重视电容的数量而不是质量，并且不需要可表面安装的外形尺寸。某些专为耐高温而设计的聚酯配方有助于在表面贴装封装中使用聚酯薄膜电容器，尽管这些器件的数量相对较少。

聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）：

聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 是一种聚合物介电材料，旨在承受更高的温度，允许在可表面贴装、兼容回流焊的封装中使用薄膜电容器技术。在应用概念中，它可以被认为是聚乙烯 (PET) 的回流兼容版本，提供电容的数量而不是质量。为了获得回流焊接兼容性，PEN 放弃了一些比电容（每体积的电容），具有更高的介电吸收率，并且更容易出现吸湿问题，尽管低频下的损耗因数相对于聚乙烯可能略有改善。

聚丙烯（PP）：

在常用的薄膜电容器电介质中，聚丙烯具有最低的介电损耗、最低的介电常数和最低的最高工作温度。它还具有这些聚合物中最高的介电强度之一，以及良好的温度参数稳定性。总体而言，对于要求电容质量而非数量的薄膜盖应用而言，聚丙烯是首选电介质。由于其耐低温性，聚丙烯电介质与回流焊接工艺不兼容，因此几乎只出现在某种形式的通孔或底盘安装封装中。由于其卓越的损耗特性，聚丙烯薄膜电容器是感应加热和晶闸管换向等大电流、高频应用的首选器件。以及需要稳定的线性电容而其他电容器类型由于某种原因不可用或不可行的应用。

聚苯硫醚（PPS）：

对于电容质量比数量更重要的应用，聚苯硫醚 (PPS) 电介质可被视为聚丙烯的回流兼容替代品。相对于聚丙烯，PPS 电容器在适用频率范围内表现出较高的比电容和损耗因数，约为 2 至 3 倍，但电容在温度范围内的稳定性略有改善。

其他电介质

许多薄膜电容器介电材料要么随着时间的推移而出现又消失，要么一直默默无闻。虽然不易获得或不建议在新应用中使用，但此处提及以供参考和比较。

聚碳酸酯

聚碳酸酯是一种刚性、透明的热塑性塑料，通常用于制造安全眼镜、头盔面罩或其他耐冲击光学器件的镜片。其用作介电薄膜的生产于 2000 年左右停止，用于电容器应用的剩余材料库存已大部分被消耗。作为介电材料，它非常好，电性能类似于聚丙烯，但在大多数情况下略逊于聚丙烯，尽管具有优越的温度特性，允许在军事（-55°C 至 +125°C）温度范围内使用且参数相对稳定并且在高温下经常不会降额。聚苯硫醚 (PPS) 通常被认为是一种可用的替代品，可能适合以前使用聚碳酸酯设备的应用。

聚酰亚胺

聚酰亚胺是一种高温聚合物，通常以 Kapton 商品名出售，在许多电子应用中用作柔性电路的基材。作为电容器应用的电介质，它提供与聚酯/PET 相当的中等性能，尽管其高温稳定性允许在超过 200°C 的高温下运行。虽然其高介电强度表明具有良好体积密度的设备的潜力，但将材料生产为非常薄的薄膜的困难往往限制了基于这种介电材料的电容器的吸引力/可用性。

聚苯乙烯

聚苯乙烯薄膜电容器目前基本上已经灭绝，主要是因为与仅 85°C 的极低耐温相关的组装和制造困难。在适中的工作温度下，聚苯乙烯电容器的电气性能非常好，并且一度当稳定性和电气性能特性成为驱动选择标准时，此类器件成为首选。大多数情况下，这些设备已被聚丙烯薄膜电容器取代。

聚砜

聚砜是一种刚性、透明的热塑性塑料，无论在电学方面还是在成本高和相对不可用方面都与聚碳酸酯相似。

聚四氟乙烯/聚四氟乙烯

“Teflon”是杜邦公司的商标名称，包含多种含氟聚合物，主要是聚四氟乙烯 (PTFE)，但氟化乙烯丙烯 (FEP) 和其他材料也可以使用“Teflon”名称。这些聚合物往往非常稳定，并具有作为精密电介质的许多令人钦佩的品质，包括耐高温性以及随时间、温度、电压和频率等的优异稳定性。PTFE薄膜的机械性能及其金属化的困难使得PTFE的生产变得困难。基于薄膜电容器是一件困难且昂贵的事情，因此市场上很少有这样的设备。

什么是[云母/聚四氟乙烯电容器]？

图 15：各种封装形式的云母电容器。 （不按比例）

装置构造

云母是一组天然存在的矿物质，其特征是能够容易地分裂成平坦的薄膜，其中被称为“白云母”的特定类型云母是电容器应用的首选。作为电介质，云母在时间和施加电压方面具有出色的稳定性、低温度系数、耐高温、非常好的介电强度以及在宽频率范围内的低损耗特性。除了是优异的介电材料之外，云母（一种天然矿物）与 PTFE（一种合成含氟聚合物）几乎没有任何共同之处，但由于市场上至少有一个电容器产品系列使用 PTFE 代替云母来实现某些电容值，这两种材料都在标题中提到...云母电容器的结构根据应用而变化，尽管陶瓷和薄膜类型有相似之处。无论云母是用作从一大块原材料劈开的单片，还是用作由许多小片制成的“纸”，电极/端子附着层（通常是银）沉积在两侧，然后单独使用（像单层陶瓷器件）像 MLCC 一样分层，或者像薄膜电容器一样缠绕。在金属化工艺发展之前生产的早期设备将云母片与电极箔机械夹紧在一起。与其他钳位电容器一样，这些器件的稳定性和可靠性不如更现代的类型，因此钳位云母电容器至少从第二次世界大战以来就已经过时了。或者作为由许多小薄片制成的“纸”，在两侧沉积电极/端子附着层（通常是银），然后像 MLCC 一样单独使用（如单层陶瓷器件），或缠绕在一起就像薄膜电容器一样。在金属化工艺发展之前生产的早期设备将云母片与电极箔机械夹紧在一起。与其他钳位电容器一样，这些器件的稳定性和可靠性不如更现代的类型，因此钳位云母电容器至少从第二次世界大战以来就已经过时了。或者作为由许多小薄片制成的“纸”，在两侧沉积电极/端子附着层（通常是银），然后像 MLCC 一样单独使用（如单层陶瓷器件），或缠绕在一起就像薄膜电容器一样。在金属化工艺发展之前生产的早期设备将云母片与电极箔机械夹紧在一起。与其他钳位电容器一样，这些器件的稳定性和可靠性不如更现代的类型，因此钳位云母电容器至少从第二次世界大战以来就已经过时了。在金属化工艺发展之前生产的早期设备将云母片与电极箔机械夹紧在一起。与其他钳位电容器一样，这些器件的稳定性和可靠性不如更现代的类型，因此钳位云母电容器至少从第二次世界大战以来就已经过时了。在金属化工艺发展之前生产的早期设备将云母片与电极箔机械夹紧在一起。与其他钳位电容器一样，这些器件的稳定性和可靠性不如更现代的类型，因此钳位云母电容器至少从第二次世界大战以来就已经过时了。

常见用法和应用：

云母电容器是真空管的当代技术，并且一直是需要稳定、高质量电容的首选设备。与真空管一样，提供更好性价比的新技术已经占据主导地位，并将云母技术降级到利基市场，在这些市场中，核辐射、极端温度或高压应力等不常见的应力因素证明云母器件的成本是合理的。

图 16：撰写本文时，DigiKey 提供的云母/PTFE 电容器的电容值与额定电压关系图。

常见故障机制/关键设计考虑因素：

现代云母电容器由于制造过程中所用材料的稳定性而往往非常可靠，并且对于大多数应用目的，可以与 C0G 陶瓷器件类似地进行处理。与其他类型的电容器一样，振动、冲击、热循环等引起的机械故障都有可能发生，并且由于湿气进入而导致的电极腐蚀也是一个潜在问题。

什么是[钽电容]？

图 17：各种封装配置的钽电容器。 （不按比例）

装置构造及区别特征

钽电容器是电解设备，主要用于需要具有相对稳定参数的紧凑、耐用设备，并且适度的电容和额定电压就足够了。传统上，钽相对于铝电解的优势体现在单位体积的电容、随温度变化的参数稳定性和寿命方面。钽在长期放电储存时一般不会出现干燥问题或介电退化问题。然而，钽通常更昂贵，可用电容和电压值的范围更有限，由更稀有的材料制成，更容易受到供应中断的影响，并且由于某些子类型容易出现故障，因此在设计时可能需要特别小心。极大的热情。

图 18：撰写本文时可通过 DigiKey 获取钽电容器的电容值与额定电压图。

图 18 显示了在撰写本文时 DigiKey 提供的各种钽电容器的电压和电流额定值组合。无论哪种类型，钽电容器的阳极结构都非常相似。将高纯度的细粉钽金属模制成所需的形状，并在高温下烧结，将各个金属粉末颗粒融合成高度多孔的物质，称为“块”，其内表面积相对于其体积而言极高。然后电容器的电介质在液浴中以电化学方式形成，产生五氧化二钽 (Ta 2 O 5 ）层覆盖在金属块的整个内表面区域上，这与铝电解电容器电介质的形成方式非常相似。从这一点来看，不同钽子类型的结构有所不同，所采用的不同阴极系统导致了不同类型的特性。

Ta/MnO 2 帽

使用三种基本的阴极系统，产生不同的钽电容器子类型：二氧化锰 (MnO 2 )、导电聚合物和“湿”。对于二氧化锰系统，在形成电介质后，将钽块浸入一系列硝酸锰 (Mn(NO 3 ) 2 ) 溶液中，并在每次浸入后进行烘烤，将液体溶液转化为完全渗透的固体（半）导电二氧化锰。钽块的微观结构，并用作器件的阴极。然后应用一层界面材料例如石墨来保持MnO 2在将整个组件封装在环氧树脂中并在装运前进行测试之前，避免与连接引线所需的金属层（通常是银）发生反应。最终产品是一种固态电解电容器，具有高比电容、无干涸问题、良好的可靠性、相对良好的温度稳定性以及相当严重的故障模式……因为钽-MnO 2 电容器的成分和结构相似与鞭炮（一种与加热时释放氧气的物质紧密混合的细碎金属）相比，这些电容器以烟火式失败而闻名，其特点是爆炸和/或猛烈喷出火焰。因此，建议在选择和应用时特别小心。

军用/高可靠性/故障安全

对基本 Ta/MnO 2的一些实际改进电容器技术已经出现，并且可以使用减轻或至少量化故障风险的机制。指定为军用并根据 MIL 规格零件号采购的产品是根据引用的 MIL 规格的规定生产和测试的，其中通常包括批次测试和筛选程序，以建立可靠性的统计保证。 MIL 规格通常还要求采用（不符合 RoHS 标准）铅轴承端子表面处理，这有利于系统的整体可靠性，因为降低了锡须形成的风险并降低了组装过程中的峰值温度。高可靠性零件通常采用 MIL 规格材料制成，具有不同的标签和端子表面处理，但也可能采用 MIL 规格管理机构尚未采用的技术改进。在任何情况下，名副其实的 Hi-Rel 产品将经过筛选、测试和/或预烧，以提供可靠性的统计保证。故障安全设备采用某种类型的熔断机制，以便在短路故障发展为明火故障之前将其转换为开路故障。这些机制并不完美，但它们确实将燃烧故障的风险降低了几个小数位。

钽聚合物

钽聚合物电容器完全省去了二氧化锰，而是使用导电聚合物作为阴极材料，这几乎消除了烟火故障的风险。由于所使用的聚合物材料相对于MnO 2具有较低的电阻，因此钽聚合物帽通常具有更好的ESR和纹波电流规格，以及相对于基于MnO 2的对应物而言更好的高频性能。聚合物阴极系统的缺点包括温度范围更有限、对湿度更敏感以及自愈功效降低，从而导致漏电流更高。

湿法钽

顾名思义，湿钽电容器在其阴极系统中使用液体电解质。由于很难焊接到液体上，因此需要阴极反电极通过烧结钽阳极块来完成电路，而这种反电极的设计是不同系列湿钽器件的区别之一。现代设备使用密封/焊接钽外壳，与早期采用银外壳材料和弹性体密封件的设备相比，这种外壳不易发生电解液泄漏，并且更能耐受意外电压反转。湿钽器件的主要优点是其可靠性和相对较高的比电容；液体电解质为电介质提供持续的自愈作用，从而实现低漏电流和更高的适用工作电压范围。然而，由于液体电解质的电阻，大多数湿钽的 ESR 并不是特别好，导致在相对较低的频率下出现电容损失。湿钽的成本也相当高，大约是同等额定值的铝电解设备的 100 倍。总而言之，这些因素使得湿钽成为一种小众技术，主要出现在那些不允许失败、金钱也不是问题的应用中；空间/卫星应用、生命攸关的航空电子系统等。大约是同等额定值的铝电解装置的 100 倍。总而言之，这些因素使得湿钽成为一种小众技术，主要出现在那些不允许失败、金钱也不是问题的应用中；空间/卫星应用、生命攸关的航空电子系统等。大约是同等额定值的铝电解装置的 100 倍。总而言之，这些因素使得湿钽成为一种小众技术，主要出现在那些不允许失败、金钱也不是问题的应用中；空间/卫星应用、生命攸关的航空电子系统等。

失效机制和设计考虑

对于一般钽

钽电容器介电故障的主要原因是形成阳极块的钽粉中的杂质。就像高速公路工作人员在道路上涂漆时不费心将道路上的死者移开时出现的间隙一样，钽中的杂质会导致介电层出现缺陷。由于钽电容器中的电介质厚度只有几纳米，因此即使非常小的杂质也会引起问题。钽电容器中的其他介电故障是机械引起的。作为一种有点脆的玻璃状物质，五氧化二钽电介质在施加机械应力时很容易破裂。当零件组装到板上时，焊接操作期间的热膨胀应力尤其重要。由于这些应力可能会导致生产时不存在（因此无法检测到）的故障，因此组装后首次通电时钽电容器出现故障是一种已知现象。由于聚合物阴极材料（显然是液体阴极）相对于二氧化锰更柔软、更柔韧，因此这些类型比 MnO 具有优势2基电容器在婴儿死亡率方面。

用于MnO 2基器件

Ta/MnO 2电容器中的自愈机制基于MnO 2材料热分解成导电性低得多的Mn 2 O 3 。当故障部位附近的漏电流导致局部温度升高到足够高时，向故障提供电流的MnO 2阴极材料区域就会击穿，从而使故障与进一步的电流隔离。不幸的是，这个过程会产生松散的氧：2(MnO 2 ) + (能量) --> Mn 2 O 3 + O。成功的自愈事件和烟火失败之间的区别在于，氧气是否在足够高的温度下找到钽金属以自燃。环境温度和可在故障部位引起欧姆加热的电气故障电流量都是影响结果的因素。

MnO 2设计考虑因素

虽然建议仔细研究制造商的应用文献，但为不耐烦的人提供了以下有关 Ta/MnO 2电容器应用的指南：

1. 使用串联电阻：限制故障可用的外部电流，大大降低故障部位达到临界点火温度的机会。历史上，建议每施加电压使用 1 至 3 欧姆的串联电阻。现代设计可能无法承受如此大的 ESR，并且较大的设备在充电时可能包含足够的电能，以便在突然出现故障时自燃。在这些情况下，降额和器件筛选尤为重要。
2. 降低电压：为了（显着）提高稳态可靠性，请将器件从额定电压降低一半，当串联电阻极低（每施加电压 0.01 欧姆或更小时）时，降低高达 70%。如果电流受到外部限制，只需降额 20% 就足够了。建议进一步（复合）温度降额系数，从 85°C 时的 0 线性增加到 125°C 时的 33%，尽管高温产品系列可能有所不同。
3. 小心老化：由于组装引起的介电故障，许多钽故障发生在组装设备首次通电时。通过限流源逐渐施加电压来促进成功的自愈可能会避免其中一些故障。随后暴露于最大预期电气和环境应力将作为验证测试​​，因为一旦承受给定一组应力的Ta/MnO 2电容器可能几乎无限期地承受它们。
4. 限制瞬态电流：应避免电流超过制造商规定的浪涌电流限制，包括由非常规事件引起的电流，例如电池或电源的热插拔、系统输出的短路故障等。在没有浪涌电流规范的情况下，建议使用**I max
5. 遵守纹波电流/温度限制：纹波电流额定值通常基于使器件温度高于环境温度时产生给定温升所需的纹波量。除了产生的波形违反电压或浪涌电流限制的情况外，纹波电流限制是一个热管理问题。评估指定数据表纹波限值的测试条件，并根据实际应用条件调整这些限值。

适用于聚合物和湿钽

当钽聚合物电容器发生故障时，它们往往会变成一个温暖的电阻器，而不是一团快速膨胀的热气体和弹片云。由于这一点以及组装引起的缺陷风险降低，他们的应用经验规则更加简单：将电压降额 20%，遵守建议的纹波电流限制，并遵循制造商建议的高温降额时间表。对于湿钽，能够证明部件成本合理的应用也可能需要逐个部件对系统进行详细的可靠性分析，从而使经验法则的价值低于其他应用中的价值。因此，建议采用 20% 的标准降额系数，并建议用户注意这些设备中常见的相对较低的频率响应特性。

什么是[氧化铌电容器]？

图 19：氧化铌电容器。

装置构造及区别特征

氧化铌电容器在结构上与钽和二氧化锰 (Ta/MnO 2 ) 器件类似，使用烧结氧化铌 (NbO) 代替钽金属作为阳极材料。氧化铌电容器主要由 AVX 生产，作为 Ta/MnO 2电容器的替代品，这种电容器不会在发生故障时发生爆燃，并且还具有改善原材料供应物流的潜力，氧化铌电容器在多种方面与钽聚合物器件展开竞争。应用程序。氧化铌电容器的结构与Ta/MnO 2器件类似；阳极材料由高度多孔、海绵状的一氧化二铌 (NbO) 块组成，其上有一层五氧化二铌 (Nb 2 O 5 ) 被建立，并在其周围建立二氧化锰对电极，其方式类似于常见的 Ta/MnO 2装置。基于铌金属（而不是氧化物 NbO）和聚合物电解质技术的电容器也已开发出来，但在撰写本文时尚未大量生产。

图 20：撰写本文时可通过 DigiKey 获取氧化铌电容器的电容值与额定电压的关系图。

为什么是铌？

世纪之交，由于需求旺盛，钽供应短缺，导致钽电容器在一个季节成为稀有且昂贵的产品，导致生产难题，从而推动了基于铌的设备的开发。相对于主要用于电子工业的钽，铌在自然界中的储量估计要高出约 20 倍，并且还广泛用作钢铁生产中的合金元素，其数量远远大于电子工业的需求量。目的。由于原料较多，而且电子行业不是其主要买家，因此原材料的长期供应前景被认为比钽更有利于铌。

应用的优点和缺点

氧化铌/二氧化锰电容器比同类钽电容器具有显着优势，因为它们在发生灾难性故障时通常不会点燃。这归因于与钽相比，点燃氧化铌需要大量的能量，以及二次自愈效应，其中暴露在故障部位的氧化铌阳极材料被进一步氧化至导电性较差的状态。在这两种效应之间，氧化铌电容器经历灾难性故障的行为被认为是科姆范围内的高阻抗短路；一个足够高的值，以防止由此产生的故障电流提供足够的能量以在额定电压下点燃设备。相对于Ta/MnO 2器件，NbO/MnO 2电容器目前在性能方面有点落后，额定电压仅限于 10 V 或更低，漏电流大约是钽电容器的两倍，单位体积电容略低，并且超过 85°C 的温度降额较高。另一方面，“不会着火”是一个非常好的特性，而且更好的原材料可用性问题提供了降低成本的希望。尽管解决烟火电容器问题的钽聚合物方法似乎越来越受欢迎，但据说氧化铌技术在长期使用寿命和环境耐受性方面保留了优势，特别是在高湿度应用中。如果没有其他原因，这是一项有趣的技术，只是因为通过销售和代表不同派别的营销人员似乎会引发截然不同的观点和意见……

应用注意事项

相对于钽基电容器，氧化铌电容器的耐燃特性使得铌氧化物电容器的应用更加广泛。尽管使用 Ta/MnO 2电容器进行设计的经验法则是将电压降额 50%（如果串联电阻非常低，则降额幅度更大），但基于 NbO 的器件 (AVX) 的领先制造商建议将电压降额电压仅降低 20% 就足以安全运行。超出这些水平的额外降额可以显着提高两种设备类型的长期可靠性。此外，由于器件的内部结构和固体MnO 2电解质的热机械特性仍然存在，因此建议氧化铌电容器的用户注意组装过程引起故障的可能性。

什么是[硅]电容器和[薄膜电容器]？

图 21：各种封装格式的硅和薄膜电容器。 （不按比例）

装置构造及区别特征

硅和薄膜电容器是一种相对较新的设备，使用从半导体行业借用的工具、方法和材料生产。这些技术提供的对结构和材料的精确控制允许生产近乎理想的电容器，这些电容器具有出色的参数稳定性、最小的 ESR 和 ESL、宽工作温度能力，并且与 1 类陶瓷型器件相比，单位体积的电容更好。他们最直接地竞争。它们的主要缺点包括成本高，以及相关的可用电容值范围相对有限。通常基于氧化硅/氮化物电介质，“薄膜”和“硅”电容器之间的区别是营销上的让步，尽管内部存在显着差异两者之间取决于预期的应用。针对射频调谐和匹配应用的器件往往是针对参数稳定性和一致性进行了优化的低电容单层器件，并且通常采用标准 JEDEC 封装尺寸。相比之下，用于电源去耦、宽带直流阻断和类似应用的器件允许更大的容差，有利于实现更高的比电容，并且更有可能采用适合先进组装方法的封装，例如引线键合或嵌入在印刷电路板。然而，无论预期的应用如何，薄膜和硅电容器系列中的器件都是高性能产品，并且定价相应，在撰写本文时，所获得的价格约为具有相似电容和额定电压的陶瓷器件价格的 5 至 5000 倍。设计为高精度设备的部件大多与基于 C0G (NPO) 电介质的陶瓷电容器竞争，作为射频和微波应用的更高性能替代品。虽然这些 I 类陶瓷器件非常好，并且经过几十年的改进，本身已接近理想状态，但特征制造差异使薄膜/硅器件在器件和制造批次之间的一致性方面稍好一些。更高电容的薄膜/硅电容器与基于 X7R 和 X8R 电介质的 II 类陶瓷更直接地竞争，用于去耦和宽带直流阻断应用。为了这些目的，薄膜/硅器件具有显着的优势，例如显着降低的耗散因数以及电容随温度和电压变化的稳定性。

图 22：撰写本文时可通过 DigiKey 获得的硅电容器和薄膜电容器的电容值与额定电压关系图。

什么是[微调电容器和可变电容器]？

图 23：各种样式和封装类型的微调和可变电容器。 （不按比例）

装置构造及区别特征

微调电容器和可变电容器是提供在一定范围内可变的电容的设备，这两个术语之间的差异主要是设计意图之一； “微调”电容​​器通常只需要在其使用寿命内调整几次，而“可变”电容器则需要进行例行调整。使用了许多不同的结构类型，但几乎没有例外，它们都是静电类型，并通过改变电极之间的有效表面积、电极之间的距离或两者来实现其可调节性。

图 24：撰写本文时可通过 DigiKey 获得的微调器和可变电容器的电容值与额定电压图。

一种常见的设计方法类似于公共轴上的两个小轮，每个轮上镀有半圆形（或类似形状）的电极材料。通过改变两个“轮”相对于彼此的旋转角度，可以改变它们之间的有效电容。除此之外，改变每个“轮”上电极的形状可以根据给定应用的需要在旋转调节角度和器件电容之间产生变化的关系。该方法的一种变化可能涉及使用蜗轮或类似的机械装置来改变两个“轮”的相对旋转，以便在设备的变化范围内提供更高的调节分辨率。其他设计包括可变活塞电容器，其通过改变同心圆柱体之间的重叠程度来工作，真空电容器，使用螺钉或其他机构来改变真空中电极板之间的机械关系，通过使用柔性膜来维持真空。

常见用法和应用

微调器和可变电容器通常用于射频电路中的调谐和匹配应用。通过将机械指示器扫过刻度（或反之亦然）来指示所选调谐频率的无线电接收器通常在指示器和调谐电路中使用的可变电容器之间具有机械连接。大多数此类接收器均采用较旧的老式或较低成本/质量的设计，尽管现代应用可能仍包含用于微调或校准目的的微调电容器。另一方面，可变电容器（设计用于频繁调整的那种）是濒临灭绝的物种。使用更好的制造公差和更新的技术实现的替代设计技术呈现出笨重、飘忽、机械笨重的特征，与替代方案相比，昂贵的可变电容器是不太理想的设计元素。

常见故障机制/关键设计考虑因素

微调器和可变电容器中的器件结构存在很大差异，因此无法在此对其具体优点和缺点进行扩展讨论。然而，如果考虑静电电容器背后的基本原理，通常可以通过观察来辨别给定设备的优点；任何影响电介质、电极几何形状或电极位置的因素都会影响器件电容。例如，空气介电器件在给定设置下会随着气压、温度和湿度的变化而表现出电容的变化，因为所有这些因素都会在很小程度上影响空气的介电常数。同样，真空介电电容器也会受到泄漏或真空损失的影响。从机械角度来看，最终组件的刚性将影响电容在机械冲击或振动方面的稳定性，并且调节机构的设计也会影响随时间推移的漂移趋势。电容器快速参考指南 下一页的表格提供了不同电容器类型及其相对优点的简要总结，大致按照每种类型提供的电容数量的减少（或质量的增加）进行排列。大致按照每种类型提供的电容数量的减少（或质量的增加）进行排列。大致按照每种类型提供的电容数量的减少（或质量的增加）进行排列。

图 25：电容器快速参考指南。