光尚小講堂：電容器參數及對使用設計影響

      在電子產品中，電容器是必不可少的電子器件，它在電子設備中充當整流器的平滑濾波、電源的退耦、交流信號的旁路、交直流電路的交流耦合等。由于電容器的類型和結構種類比較多，因此，我們不僅需要了解各類電容器的性能指標和一般特性，而且還必須了解在給定用途下各種元件的優(yōu)缺點，以及機械或環(huán)境的限制條件等。這里將對電容器的主要參數及其應用做簡單說明。

      1. 標稱電容量（ C R ）。電容器產品標出的電容量值。云母和陶瓷介質電容器的電容量較低（大約在 5000pF 以下）；紙、塑料和一些陶瓷介質形式的電容器居中（大約在 0.005uF~1.0uF ）；通常電解電容器的容量較大。這是一個粗略的分類法。

      2. 類別溫度范圍。電容器設計所確定的能連續(xù)工作的環(huán)境溫度范圍。該范圍取決于它相應類別的溫度極限值，如上限類別溫度、下限類別溫度、額定溫度（可以連續(xù)施加額定電壓的最高環(huán)境溫度）等。在電路設計中要考慮其溫度范圍，比如電源方面的電電解電容在低于其工作溫度后會失去其濾波功能，相當于開路。）

      3. 額定電壓（ U R ）。在下限類別溫度和額定溫度之間的任一溫度下，可以連續(xù)施加在電容器上的最大直流電壓或最大交流電壓的有效值或脈沖電壓的峰值。電容器應用在高電壓場和時，必須注意電暈的影響。電暈是由于在介質 / 電極層之間存在空隙而產生的，它除了可以產生損壞設備的寄生信號外，還會導致電容器介質擊穿。在交流或脈動條件下，電暈特別容易發(fā)生。對于所有的電容器，在使用中應保證直流電壓與交流峰值電壓之和不得超過電容器的額定電壓。

      4. 損耗角正切（ tg δ ）。在規(guī)定頻率的正弦電壓下，電容器的損耗功率除以電容器的無功功率為損耗角正切。

      5. ESR(Equivalent Series Resistance)串聯等效電阻。理論上，一個完美的電容，自身不會產生任何能量損失，但是實際上，因為制造電容的材料有電阻，電容的絕緣介質有損耗，各種原因導致電容變得不“完美”。這個損耗在外部，表現為就像一個電阻跟電容串連在一起，所以就起了個名字叫做“等效串連電阻”。

      ESR的出現導致電容的行為背離了原始的定義。

      比如，我們認為電容上面電壓不能突變，當突然對電容施加一個電流，電容因為自身充電，電壓會從0開始上升。但是有了ESR，電阻自身會產生一個壓降，這就導致了電容器兩端的電壓會產生突變。無疑的，這會降低電容的濾波效果，所以很多高質量的電源一類的，都使用低ESR的電容器。同樣的，在振蕩電路等場合，ESR也會引起電路在功能上發(fā)生變化，引起電路失效甚至損壞等嚴重后果。所以在多數場合，低ESR的電容，往往比高ESR的有更好的表現。

      不過事情也有例外，有些時候，這個ESR也被用來做一些有用的事情。比如在穩(wěn)壓電路中，有一定ESR的電容，在負載發(fā)生瞬變的時候，會立即產生波動而引發(fā)反饋電路動作，這個快速的響應，以犧牲一定的瞬態(tài)性能為代價，獲取了后續(xù)的快速調整能力，尤其是功率管的響應速度比較慢，并且電容器的體積/容量受到嚴格限制的時候。這種情況見于一些使用mos管做調整管的三端穩(wěn)壓或者相似的電路中。這時候，太低的ESR反而會降低整體性能。

      ESR是等效“串連”電阻，意味著，將兩個電容串連，會增大這個數值，而并聯則會減少之。實際上，需要更低ESR的場合更多，而低ESR的大容量電容價格相對昂貴，所以很多開關電源采取的并聯的策略，用多個ESR相對高的鋁電解并聯，形成一個低ESR的大容量電容。犧牲一定的PCB空間，換來器件成本的減少，很多時候都是劃算的。

      和ESR類似的另外一個概念是ESL，也就是等效串聯電感。早期的卷制電感經常有很高的ESL，而且容量越大的電容，ESL一般也越大。ESL經常會成為ESR的一部分，并且ESL也會引發(fā)一些電路故障，比如串連諧振等。但是相對容量來說，ESL的比例太小，出現問題的幾率很小，再加上電容制作工藝的進步，現在已經逐漸忽略ESL，而把ESR作為除容量之外的主要參考因素了。

      順便，電容也存在一個和電感類似的品質系數Q，這個系數反比于ESR，并且和頻率相關，也比較少使用。

      由ESR引發(fā)的電路故障通常很難檢測，而且ESR的影響也很容易在設計過程中被忽視。簡單的做法是，在仿真的時候，如果無法選擇電容的具體參數，可以嘗試在電容上人為串連一個小電阻來模擬ESR的影響，通常的，鉭電容的ESR通常都在100毫歐以下，而鋁電解電容則高于這個數值，有些種類電容的ESR甚至會高達數歐姆。

      5. 電容器的溫度特性。通常是以 20 ℃基準溫度的電容量與有關溫度的電容量的百分比表示。

      6. 使用壽命。電容器的使用壽命隨溫度的增加而減小。主要原因是溫度加速化學反應而使介質隨時間退化。

      7. 絕緣電阻。由于溫升引起電子活動增加，因此溫度升高將使絕緣電阻降低。