1、电容的定义

1-1、电容的本质

两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间
加上电压时，电容器就会储存电荷。

1-2、电容量的大小

电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量
的基本单位是法拉(F)。在电路图中通常用字母C 表示电容元件。
电容量的大小公式：

想使电容容量大，有三种方法：
1、使用介电常数高的介质；
2、增大极板间的面积；
3、减小极板间的距离。

2、陶瓷电容

2-1、MLCC陶瓷电容物理结构

MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）是片式多层陶瓷电容器英文缩写。
是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极），从而形成一个类似独石的结构体，故也叫独石电容器。

可以看到，内部电极通过一层层叠起来，来增大电容两极板的面积，从而增大电容量。
陶瓷介质即为内部填充介质，不同的介质做成的电容器的特性不同，有容量大的，有温度特性好的，
有频率特性好的等等，这也是为什么陶瓷电容有这么多种类的原因。

2-2、陶瓷电容的基本参数

2-2-1、电容的单位

电容的基本单位是：F（法），此外还有μF（微法）、nF、pF（皮法），由于电容F 的容量非常大，
所以我们看到的一般都是μF、nF、pF 的单位，而不是F 的单位。

它们之间的具体换算如下：
1F＝1000000μF
1μF=1000nF=1000 000pF

2-2-2、电容容量

常用陶瓷电容容量范围：0.5pF~100uF。
实际生产的电容的陶瓷容量值也是离散的，常用电容容量如下表：

陶瓷电容容量从0.5pF 起步，可以做到100uF，并且根据电容封装（尺寸）的不同，容量也会不同。
选购电容器不能一味的选择大容量，选择合适的才是正确的，例如0402 电容可以做到10uF/10V，
0805 的电容可以做到47uF/10V，但是为了好采购、成本低，一般都不会顶格选电容。
一般推荐0402 选4.7uF-6.3V，0603 选22uF/6.3，0805 选47uF/6.3V，其它更高耐压需要对应降低
容量。

2-2-3、额定电压

陶瓷电容常见的额定电压有：2.5V、4V、6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、
450V、500V、630V、1KV、1.5KV、2KV、2.5KV、3KV 等等。
额定电压值与电容的两极板间的距离有关系，额定电压越大，一般距离就要更大，否则介质会被击穿。
因此，这就导致了同等容量的电容，耐压值高的，一般尺寸会更大。
电容器的外加电压不得超过规范中规定的额定电压，实际在电路设计中，一般选用电容时，都会让额
定电压留有大概70%的裕量。

2-2-4、电容类型

同介质种类由于它的主要极化类型不一样，其对电场变化的响应速度和极化率亦不一样。在相同的体积下的容量就不同，随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。
介质材料划按容量的温度稳定性可以分为两类，即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器， NPO 属于Ⅰ类陶瓷，而其他的X7R、X5R、Y5V、Z5U 等都属于Ⅱ类陶瓷。
MLCC 陶瓷电容主要分为2 大类：高节介电常数型和温度补偿型

2-2-5、电容实际电路模型

电容作为基本元器件之一，实际生产的电容都不是理想的，会有寄生电感，等效串联电阻存在，同时
因为电容两极板间的介质不是绝对绝缘的，因此存在数值较大的绝缘电阻。
所以，实际的电容模型等下如下图：

ESR 是等效串联电阻，ESL 是等效串联电感，C 为理想电容。因此实际电容的阻抗可以用数学公式表
示：

我们画出这个公式的曲线，就得到一个曲线图：

在频率很低的时候，可以看到，感抗远小于容抗，并且复阻抗的相位为负值，说明电流超前电压，这
是典型的电容充电特性，所以说，电容在低频主要表现为容性。
而在高频的时候，感抗远大于容抗，复阻抗的相位为正值，说明电压超前电流，是典型的电感施加电
压时的行为特征，所以说，电容在高频时表现为电感特性。
而在谐振时，容抗和感抗相抵为0，此时电容的总阻抗最小，复阻抗相位为0，表现为纯电阻特性，
这个点就是电容的自谐振频率。在谐振频率左边，电容主要呈容性，在谐振频率右边，电容主要呈感性。

2-2-6、阻抗-频率特性

根据上述电容模型，我们可以得到电容的复阻抗公式：

实际陶瓷电容的绝缘电阻时非常大的，是兆欧姆级别的，

2-2-7、谐振频率

电容在谐振频率处阻抗最低，滤波效果最好，那么各种规格的电容的谐振频率是多少呢？
下图是村田常用电容的谐振频率表：

阻抗-频率曲线如下图：

2-2-8、等效串联电阻ESR

陶瓷的等效串联电阻并不是恒定的，它是跟频率有很大的关系。上述10uF 电容在100hz 的时候，ESR 是3Ω，在700Khz 的时候达到最小，ESR 是3mΩ，相差了1000 倍，是非常大的。
我们非常关心陶瓷电容的ESR 到底是多大，特别用在开关电源的时候，需要用来计算纹波的大小。

2-2-9、精度大小

相对于电阻的精度来说，电容的精度要低很多，以下是一般电容的精度。
同一类型的电容精度一般厂家会生产2~4 种精度的档次共选择。

2-2-10、温度特性

不同类型的电容的工作温度范围是不同的、并且其容量随温度的变化也不同，相差非常大，如下表：


在设计电路的时候，需要考虑不同电容的温度系数，按照使用场景选择符合要求的电容。在一些对电
容容量由要求的地方，就不能选择Y 或者Z 系列的电容。

2-2-11、直流偏压特性

陶瓷电容的另外一个特性是其直流偏压特性。
对于在陶瓷电容器中又被分类为高诱电率系列的电容器(X5R、X7R 特性)，由于施加直流电压，其静
电容量有时会不同于标称值，因此应特别注意。
例如，如下图所示，对高介电常数电容器施加的直流电压越大，其实际静电容量越低。
容值越高的电容，直流偏压特性越明显，如47uF-6.3V-X5R 的电容，在6.3V 电压处，电容量只有其
标称值的15%左右，而100nF-6.3V-X5R 的电容容值为其标称值的75%左右，如下图。

2-2-13、漏电流和绝缘电阻

陶瓷电容绝缘电阻比较大，漏电流小。
绝缘电阻主要与容量有关，容量越大，漏电流越大；
尽管陶瓷电容的漏电流不大，但是大电容的电容量也达到了微安级别，如果是做超低功耗的产品的话，
也需要好好选择一些绝缘电阻大的电容。

2-2-14、损耗正切角（DF）

任何材料都有DF，并且与频率正相关。DF的大小与材料本身有关。
施加一个直流U0+交流分量U1（频率与幅度参考容量测试方法），25℃环境下，交流分量在电容器的功率损耗与交流分量在电容器存储的能量之比。电容可以等效为如下模型：

f是交流分量的频率，ESR就是等效串联电阻，C是电容量。
这个值得倒数就是电容的品质因数，品质因数越大，电容的损耗越小，电容品质越高。
这里再增加一个公式，交流信号在电容上的功率损耗是：

ESR与DF正相关，与功率损耗也正相关。聚丙乙烯薄膜电容的ESR低，DF低，特别适合用在高频交流信号上。铝电解电容的ESR很大，就不适合用在这种场合。

2-2、滤波电容的选择

电容最广泛的用途就是滤波，那么如何看曲线选电容呢？
其实就是选阻抗最低的。

我们知道，整个阻抗曲线呈大V 型，只有在谐振频率点附近的阻抗才比较低。所以，实际的去耦电容
都有一定的工作频率范围，只有在谐振频率附近，电容才有很好的去耦作用。
可能有人会觉得，在频率比谐振频率高一点的时候，电容都成感性了，都不是电容了，所以不能让噪
声的频率大于电容的谐振频率。其实这是错误的，去耦就是要选阻抗低的，阻抗低，在电容上产生的电压波动就小，也就是噪声会小。

• 常规的MLCC 陶瓷电容的曲线图
  来看下常规的MLCC 陶瓷电容的曲线图。可以看出，不同的电容，曲线是不同的，容量大的ESR 要小
  写，谐振频率低些，主要滤低频。容量小的ESR 要大些，谐振频率要高些，主要滤高频。
  

2-2-1、两种方式组合滤波

实际电路中我们需要去耦的频率范围会比较宽，因此呢一个电容搞不定，那怎么办呢？我们经常有两
种方法来解决：
一种是使用一个大电容和一个小电容并联。
还有一种是使用多个相同的电容并联。

1、大小电容并联

大小两个电容分别有各自的谐振频率f1 和f2。

当频率比较低的时候，两个电容都成容性，在频率比较高的时候，两个电容都呈感性，并联后总体阻
抗曲线都会保持原来的变化趋势，因此，数值上会比任意一个电容都小。

但是，当频率大于f1 并小于f2 时，大电容呈感性小电容呈容性，两者并联，就像是一个电感和一个
电容并联，构成了LC 并联谐振电路，并在某一个频率点发生并联谐振，导致该处阻抗很大。如果负载芯片的电流需求正好落在这个频率，那么会导致电压波动超标。所以，我们需要选好电容的搭配情况。

2、相同电容并联

n 个相同的电容并联，谐振频率和单个电容一样，但是在谐振点处的阻抗是原来的n 分之一，因此，
多个相同的电容并联后，阻抗曲线整体形状不变，但是各个频点的整体阻抗变小。

3、铝电解电容

3-1、铝电解电容器概述

3-1-1、基本模型

电容器是无源器件， 在各种电容器中，铝电解电容器与其他电容器相比，相同尺寸时，CV 值更大，
价格更便宜。电容器的基本模型如图所示。

静电容量计算式如下：

其中，ε为介电常数，S 为两极板正对表面积，d 为两极板件距离（电介质厚度）。
从式中可以看出：静电容量与介电常数，极板表面积成正比、与两极板间距离成反比。作为铝电解电
容器的电介质氧化膜(Al2O3)的介电常数通常为8~10，这个值一般不比其他类型的电容器大，但是，通过对铝箔进行蚀刻扩大表面积，并使用电化学的处理得到更薄更耐电压的氧化电介质层，使铝电解电容器可以取得比其他电容器更大的单位面积CV 值。
铝电解电容器主要构成如下：
阳极-----铝箔
电介质---阳极铝箔表面形成的氧化膜（Al_2O_3)
阴极-----真正的阴极是电解液
其他的组成成分包括浸有电解液的电解纸，和电解液相连的阴极箔。综上所述，铝电解电容器是有极
性的非对称构造的元件。两个电极都使用阳极铝箔的是两极性（无极性）电容。

3-1-2、基本构造

铝电解电容器素子的构造如图所示，由阳极箔，电解纸，阴极箔和端子（内外部端子）卷绕在一起含
浸电解液后装入铝壳，再用橡胶密封而成。

3-1-3、材料的特性

铝箔是铝电解电容器主要材料，将铝箔设置为阳极，在电解液中通电后，铝箔的表面会形成氧化膜
（Al_2O_3)，此氧化膜的功能为电介质。
形成氧化膜后的铝箔在电解液中是具有整流特性的金属，就像是一个二极管，被称之为阀金属。

①阳极铝箔
首先，为了扩大表面积，将铝箔材料置于氯化物水溶液中进行电化学蚀刻。然后，在硼酸铵溶液中施
加高于额定电压的电压后，在铝箔表面形成电介质氧化层（Al_2O_3)，这个电介质层是很薄很致密的氧化膜，大概1.11.5nm/V , 绝缘电阻大约为10^810^9Ω /m。氧化层的厚度和耐压成正比。
②阴极铝箔
同阳极箔一样，阴极铝箔同样有蚀刻的程序，但是没有氧化的程序。因此，阴极铝箔表面只有少量的
自然氧化形成的（Al_2O_3)，能承受的电压只有0.5V 左右。
③电解液
电解液是由离子导电的液体，是真正意义上的阴极，起着连接阳极铝箔表面电介质层的作用。而阴极
铝箔类似集电极一样起着连接真正阴极和内部电路的作用。电解液是决定电容器特性（温度特性，频率特性，使用寿命等）的关键材料。
④电解纸
电解纸主要起着均衡电解液的分布并保持阴极箔和阳极箔间隔的作用。

3-1-4、基本特性

1、静电容量

电极表面积越大，容量（储存电荷的能力）越大。铝电解电容器的静电容量值是在20℃，120Hz
/0.5V 的交流电条件下测试的值。
①温度升高，容量也会升高； 温度降低，容量也会降低。

②频率越高，容量越小； 频率越低，容量越大。

2、损耗角

电解电容等效电路如上图（忽略了绝缘电阻），当频率为120Hz（一般电容器标称的损耗角就是在此
频率下测得的）时，频率相对等效串联电感L 非常低，因此可以忽略L，损耗角模型如下图：

可以得到损耗角公式：

损耗角与温度的关系如下图，温度越高，损耗角越小。

在低温的时候，可以看到损耗角变大很多，在20℃时是0.05，在-40℃时是0.09，根据公式说明ESR
增大了接近1 倍。

3、漏电流

漏电流是铝电解电容器特性之一，当施加直流电压时，电介质氧化层允许很小的电流通过，这一部分
小电流称为漏电流。理想的电容器是不会产生漏电流的情况（和充电电流不一样，即使电压恒定，这个电流也是持续存在的）。
漏电流会随时间而变化，如图所示、随时间而减小后会达到一个稳定值。因此，漏电流的规格值为
20℃下施加额定电压一段时间之后所测量的值。
当温度升高时，漏电流增加；温度降低，漏电流减少施加的电压降低，漏电流值也会减少。

4、阻抗-频率曲线

根据模型，电容器的复阻抗为：

阻抗的模值：

画出阻抗-频率曲线如下图：

1/ωC 是容抗，图中容抗的直线向下角成45°角。ωL 是感抗、它的直线向右上角成45°角。R 代表等
效串联电阻。在低频率区间，有频率依存性的电介质损失影响大，因而R 曲线向下。在高频区间，电解液和电解纸的阻值占主导地位，不再受频率的影响，因而R 值趋于稳定。

3-2、普通铝电解电容参数

厂家一般都有各种系列的电解电容，低ESR 的，长寿命的，高温的。而普通品是性能最低的，是最
便宜的，一般温度和寿命参数是85℃/105℃-1000h/2000h、本节这里说的也是这种铝电解电容。

1、ESR参数

一般厂家是不会直接给出普通铝电解电容的ESR 值，但是会给出损耗角参数，此时的损耗角
是在120Hz 时的（损耗角与频率有关系）。
①容量越大，ESR 值越小。
②额定电压越大，ESR 值越小。

2、额定纹波电流

不同于MLCC 陶瓷电容，铝电解电容需要注意额定纹波电流，它是有效值，不能超规格使用。铝电解
电容的ESR 相对比较大，因此，如果纹波电流比较大的话，内部发热严重，会导致电容器失效、因此每个制品都设定有额定的纹波电流。
额定纹波电流与封装大小和ESR 值有关系
ESR 越小，额定纹波电流越大。
封装越大，额定纹波电流越大。
因为电流纹波会造成自我温升，下表为各两种周围温度下的自我温升的△T 界限值（一般情况，仅供
参考）

虽然有一些系列降低周围温度可以施加超过额定的纹波电流，但自我温升△T 升高的话，寿命就会变
短。△T 在各种周围温度下都有其规定界限值，请在使用中不要超过其界限值。
自我温升△T 计算公式如下：

Io：在工作上限温度时的使使用频率系数修正后的额定纹波电流Arms。
Ix：实际使用时的纹波电流Arms。
△To：叠加额定纹波电流时的自我温升。
普通铝电解电容标称的额定纹波电流是在120Hz 的值，那其它频率额定电流纹波值是怎么样的呢？
一般厂家会在规格书给出一个纹波电流频率校正系数。
以红宝石为例，如下表

举例：规格书中红宝石100UF-16V 的铝电解电容在120Hz 的额定纹波电流是135mA，那么在10Khz
条件下额定纹波电流是多少呢？
答：查表得矫正系数是1.2，所以在10KHz 纹波电流Irms=135mA*1.2=162mA。

3-3、高品质铝电解电容

这里高品质铝电解电容是相对普通铝电解电容来说的，在一些特殊的场合，普通铝电解电容并不能满
足我们的要求。实际上，铝电解电容厂家通常会提供多个系列的型号，高品质的主要分为3 类：高耐温化、长寿命化、低阻抗化。

3-4、异常电压

施加异常电压会引起电容器内部发热和产生气体而导致内部压力上升， 压力上升会导致开阀或电容
器损坏失效。

3-4-1、过大电压

施加高于额定电压的电压会引起阳极箔的化学反应（形成电介质）导致漏电流迅速增加,从而产生热
量和气体,内部压力因此也会升高。
这种化学反应会随着电压,电流,环境温度的升高而加快。随着内部压力增加,电容器会开阀或损坏失效。
也可能会导致电容器容量降低,损失角和漏电流增加,从而会导致电容器短路。

3-4-2、反相电压

施加反相电压会引起电容器阴极箔的化学反应，同施加过大电压一样会导致漏电流迅速增加,电容器
内部会产生热量和气体而引起内压升高。
这种化学反应会随着电压，电流，环境温度的升高而加快。同时静电容量减少，损失角增大，漏电流
增加。
施加大概1V 的反相电压会导致容量减少； 施加2V-3V 的反相电压会导致容量减少，损失角增加/或
者漏电流增加而缩短了电容器的寿命。如果施加更大的反相电压会导致开阀或电容器损坏。

3-4-3、再起电压

给铝电解电容器充电、让其端子间短路，再将短路线路打开放置一段时间过后，两端子间的电压会发
生再次上升的现象。此时的电压叫再起电压。
给电介质施加电压后，电介质内部发生电气变化，电介质表面带有施加的电压和正负反向电荷。（极
化作用）因为极化作用的速度，有快慢之分，施加电压后、把端子间的电压放至0V、打开线路后放置，分极反应慢的电位在端子间产生再起电压。

再起电压的时间变化如图所示，两端子间打开后约10～20 天后达到峰值，再渐渐降低。另外，大型
品（螺丝端子型、基板自立型）的再起电力值有变大的倾向。
再起电压发生后，意外的让两端子间短路的话，打火会给生产线作业人员带来恐怖感、电路的CPU、
存储器等低电压驱动素子也有被破坏的危险。作为防止办法，请在使用前用100～1K 欧左右的电阻对所积蓄的电荷进行放电。

3-5、铝电解电容寿命

3-5-1、寿命的计算原理

铝电解电容器的寿命、一般受电解液通过封口向外蒸发的现象的影响、表现为静电容量的减少、损失角正切值的增大。
电解液的蒸发速度和温度的关系用阿雷尼厄斯定律表示：

k 为：化学反应速度
A：频度因子
E：活性化能量
R：气体常数
T：温度
这个公式说明了化学反应速度（电解液损失的速度）与温度呈对数的关系。而温度由铝电解电容环境
温度，纹波电流两者决定，因此，环境温度和纹波电流决定了铝电解电容的使用寿命。
铝电解电容实际使用寿命公式如下（不同电容有些差别，仅供参考）：

Lx 为使用寿命。
Lo 为保证寿命值（规格书中宣称的寿命）。
To 为最高工作温度（规格书中温度上限）。
Tx 为实际环境温度，铝电解电容实际环境温度。
很容易得出：电容工作温度每升高10℃ ，电容寿命减小一倍

3-5-2、寿命计算实例

铝电解电容器的寿命计算

4、安规电容

4-1、什么是安规电容？

安规电容是指电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全的安全电容器。
这个定义不痛不痒的，估计看了也记不住。现实中主要就是指X 电容和Y 电容了，主要用在开关电源之中。
其重要的特点就是安全，这也是区别于其它高压电容的最主要的特点。

4-2、安规电容的作用

安规电容是指电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全的安全电容器。----这是安规电容的定义。
那问题来了，既然要求失效了还不会有出现安全问题，那直接去掉不用就完了，反正设备功能正常？
所谓存在即道理。
安规起到电源滤波作用，分别对共模、差模工扰起滤波作用，如果没有这些电容，可能产品会出EMC 方面的问题，无法通过相关认证。

4-3、X电容、Y电容

那么什么是X 电容，什么是Y 电容呢？主要用在哪儿呢？

我们知道市电是由零线N，火线L，地线G 构成。
X 电容：跨接在零线和火线之间的电容，如上图的C1，主要用于差模滤波。
Y 电容：零线与地之间的电容，火线与地之间的电容，如上图的C2 和C3，主要用于共模滤波。

4-4、安规电容是如何确保安全的？

确保安全主要就是要确保安规电容在失效后不能是短路的状态。
那么为什么不能短路呢？
X 电容短路：X 电容是接到零线和火线，如果短路，相当于是零线和火线短路，所以可能会产生危险。
Y 电容短路：Y 电容短路了，就相当于是零线或者火线接地了。而有些设备外壳也会接地的，短路后，
人触摸外壳，就相当于是人触摸了零线或者是火线，是会产生触电危险的。

4-5、X 电容，Y 电容的标准规范

学习一个东西，最好是看看标准规范，安规电容的标准规范出自国际电工委员会（IEC），标准文件为：IEC 60384-14
找到下载链接如下：
http://www.doc88.com/p-5167811493820.html

4-6、X电容、Y电容分类

X 电容分为2 种，X1 和X2（注： 在最新版标准IE C 60384—14 取消了X 3 类电容器）；
Y 电容分为Y1，Y2，Y4；

可以看出，X1、X2 和Y1，Y2，Y4 的分类主要是安全等级，也就是耐压值和绝缘性能的不同。

4-7、安规电容的容值

X 电容是uF 级，Y 电容是nF 级。
目前，用电设备中有一项泄漏电流的要求，工作在热带的机器，要求对地漏电电流不能超过0.7mA;
工作在温带机器，要求对地漏电电流不能超过0.35mA，否则有隐患，这就要求Y 电容不能太大。目前，Y电容的总容量一般都不能超过4700PF。
一般厂家的安规电容会标耐压AC250V 或AC275V 等等。
AC250V 这个可以理解为该安规电容可以用在市电为250V 以下的情况下。我们知道市电220V 一般指的是有效值为220V，这里的AC250V 也是指的有效值。
现实中实际使用的220V 市电其实是有波动的，因此在耐压选用方面，是要选用一定余量的。
也许有人会问，为什么会有这么多档次的耐压，市电不都是220V 吗？

4-8、安规电容认证

需要注意的是，安规电容本身是需要做认证，拿证书才能卖的。出口到不同国家，需要拿对应国家的证书。
当然，这个认证都是由电容厂家去做的，我们只需要选择对应电容。
如下图，是某厂安规电容规格书，其安规电容已取得的认证如下：

可以看到这个厂商的安规电容已经取得了欧洲，美国，中国，加拿大，韩国，日本等的认证，并且其已经列出了过认证时对应的检测标准，还有其证书编号。
VDE-ENEC ------欧洲认证机构
UL------美国认证认证机构
CQC----中国认证认证机构
CSA----加拿大认证机构
KC-----韩国认证机构
JET-----日本认证机构