課堂老師沒(méi)有教你的電容器工程經(jīng)驗

在工程中，我們經(jīng)常采用數百種思維捷徑，以便將我們所處理的主題的復雜性保持在可管理的水平。

如果我們每次閃爍LED時(shí)都要運行一個(gè)量子物理模擬，我們將永遠無(wú)法完成任何事情。然而，這些捷徑和經(jīng)驗法則中的許多都是在過(guò)去創(chuàng )造的，當時(shí)電子工業(yè)與現在完全不同。

今天，我們將要忘記什么是電容器。此外，我們將討論如何使用電容器，通過(guò)考慮當代電子產(chǎn)品。

一個(gè)常見(jiàn)的假設是電容器的主要作用是儲存電荷，就像一個(gè)水桶里裝滿(mǎn)了一個(gè)杯子，同時(shí)又用另一個(gè)杯子倒空了。

如果你曾經(jīng)討論過(guò)“電流是否流過(guò)電容器”，并且更多地轉向政治而不是物理，你知道當涉及交流電流時(shí)，典型的類(lèi)比沒(méi)有多大意義。電容器僅僅是兩個(gè)被電介質(zhì)隔開(kāi)的導體，在解釋電容器特性的基本物理解釋中，你找不到一個(gè)解釋你應該如何處理它的解釋。

儲能只是電容器的眾多用途之一，就像濾波、整形或改變電信號和阻抗一樣。我們傾向于認為這是它的主要用途，因為它是在直流電和威廉·吉爾伯特的驗電器（發(fā)明于15世紀）的黎明時(shí)首次使用的。

像去耦和旁路電容器這樣的術(shù)語(yǔ)經(jīng)?？梢曰Q使用——我自己也犯過(guò)無(wú)數次這個(gè)錯誤。

與ESR系列不同的電容器（如等效電容器、串聯(lián)電容器等）需要不同的電容器參數（如等效電容器、串聯(lián)電容器等）。

電容器有不同的名稱(chēng)，不僅基于它們的技術(shù)（陶瓷、電解），而且基于它們的作用。

以下章節包含了電容器扮演的一些最常見(jiàn)的角色。

圖1.現代電子板上的電容器。如果你仔細觀(guān)察，你會(huì )發(fā)現不同種類(lèi)的電容器在不同的子電路中用于不同的角色。邁克爾·吉耶季奇攝

旁路電容器的作用是將射頻（相當高頻率的交流）能量從電路板的一部分傳輸到另一部分。正如你剛剛讀到的，沒(méi)有任何關(guān)于存儲的討論。沒(méi)有！旁路電容器是關(guān)于傳導的，而不是存儲。

要做到這一點(diǎn)，必須仔細選擇電容器，使其在感興趣的頻率下具有盡可能低的阻抗。這可以通過(guò)使其自諧振頻率與射頻信號盡可能匹配來(lái)實(shí)現。

自諧振頻率是電容器的電容和寄生電感共振的頻率，電容器的阻抗最小。在數學(xué)上，只剩下等效的電容。

對于高于自諧振頻率的頻率，電容器開(kāi)始越來(lái)越不像電容器，而更像是電感器。

圖2.各種電容器的頻率阻抗，由Elcap和Jens提供

當使用旁路電容器來(lái)控制電磁輻射時(shí)（尤其是在試圖繞過(guò)地面時(shí)），最常見(jiàn)的一個(gè)錯誤就是將它們的位置限制在我們想要解決的噪聲源上。

在直流電中，這是有意義的：使信號盡可能靠近電源短路，使其值盡可能低，使短路（電容器）和電源之間的電阻（阻抗）最小化。

在交流領(lǐng)域，尤其是射頻領(lǐng)域，由于電信號的波動(dòng)特性，噪聲源附近區域和接地層其余部分之間阻抗的快速增加可能是反射源。這也可能發(fā)生在記錄道上，因為通孔的高阻抗可以反映射頻能量。

這就是反射：由于阻抗不匹配而反射的能量。同樣，這與傳統的“未端接線(xiàn)路反射的能量”的描述相沖突，后者只是部分正確。

當使用旁路電容器時(shí)，你應該試著(zhù)通過(guò)在電路板上分布電容器來(lái)降低電源和接地層的阻抗。根據您想要尋址的頻率、層疊和PCB的介電材料，您可能需要考慮在微微法拉到納米法拉范圍內的電容器。

線(xiàn)性穩壓器，如無(wú)處不在的7805有一個(gè)內部反饋回路，比較輸出電壓和參考電壓，并相應地調節電流，以保持穩定的輸出。

理論上，線(xiàn)性穩壓器可以在沒(méi)有外部電容器的情況下使用——至少如果我們忽略了自感生振蕩的任何問(wèn)題。為了獲得穩定的輸出，所需的電流需要以足夠慢的轉換速率變化，以便線(xiàn)性調節器跟隨?？紤]到它們大多是建立在80年代早期的BJT技術(shù)上，這些轉換速率一點(diǎn)也不快。

圖3典型7805型線(xiàn)性調節器的內部示意圖示例

類(lèi)似地，開(kāi)關(guān)DC-DC變換器有一個(gè)基本的開(kāi)關(guān)頻率，并且不能比這個(gè)頻率更快地調節輸出。

許多現代數字設備產(chǎn)生的電流瞬變頻率成分高達數百兆赫，遠遠超過(guò)任何調節器所能遵循的（除非我們談?wù)摰氖钱悋募す舛O管驅動(dòng)器）。

去耦電容器工作在由直流電源電路調節的穩定電壓和現代數字設備的間歇性電流消耗之間的臨界值。

當遇到電流峰值時(shí)，即使電源和設備之間的阻抗很小，也會(huì )很快導致電源電壓超出可接受范圍。

去耦電容器起到臨時(shí)局部?jì)δ艿淖饔?，有效地降低了幾兆赫到幾百兆赫之間的源阻抗。

對于超過(guò)數百兆赫的頻率，大多數貼片電容器表現出高阻抗且無(wú)效，因此需要采用層堆埋電容等技術(shù)。

去耦電容器只在相對較窄的頻帶內有用，這主要是由于其寄生特性的限制。

要注意的主要參數是，再一次，自共振頻率。去耦電容器僅在低于自諧振頻率的頻率下有效。

在選擇要使用的電容器時(shí)，以下拇指規則通常很有用：

• 直流至~Khz：無(wú)需電容器，電源可自行維持。

• ~Khz至~Mhz：電解電容器的高值有利于較低的頻率范圍，但其高串聯(lián)阻抗會(huì )導致較低的自諧振頻率，從而限制了其性能。在兆赫范圍內，許多電解電容器已經(jīng)具有很強的感應性。

• ~Mhz至200Mhz：陶瓷電容器，取決于電介質(zhì)、封裝尺寸和建筑技術(shù)，通常覆蓋該范圍。

• 200Mhz以上：陶瓷電容器開(kāi)始失效。在這種情況下，最好使用埋電容技術(shù)。

大容量電容器用于在缺少電源線(xiàn)周期期間保持電壓穩定，并支持峰值電流需求，通常是電解電容器，因為這一作用需要高容量。

把它們想象成小巧可愛(ài)的圓柱形UPS（不間斷電源）。

陶瓷電容器無(wú)疑是當今電子工業(yè)中最典型的無(wú)源元件，其體積電容的提高速度與硅中晶體管的密度相當，使現代高密度設計成為可能。

它們的確是科技的奇跡，但它們也有一些你應該注意的怪癖。

陶瓷是一種很好的材料，但也很脆。陶瓷電容器可能會(huì )因PCB板彎曲而破裂，例如在裝配較大的公豬（或面板）時(shí)，將v形切割板不恰當地分開(kāi)，或產(chǎn)品在運輸過(guò)程中操作不當。

彎曲開(kāi)裂是一種危險的現象：如果電容器用于高電流的電力線(xiàn)上，它通常會(huì )短路故障并引發(fā)火災。

與普遍的看法相反，較小的電容器具有優(yōu)越的電氣和機械性能。它們不太可能破裂，而且有更高的自共振頻率。

如果您的產(chǎn)品在機械應力下需要高可靠性，有一些技術(shù)可以用來(lái)減少這種故障。

• 放置電容器時(shí)，不要使長(cháng)邊與電路板彎曲方向相同。

• 使用更小的電容器，比如0402

• 使用不會(huì )在壓力下短路的軟端接電容器和/或X2/Y2額定陶瓷電容器

• 繞著(zhù)電容器走線(xiàn)，以減輕機械應力

• 假設你選擇了斷開(kāi)的電容器，那么至少兩個(gè)并聯(lián)使用，這樣當其中一個(gè)斷開(kāi)時(shí)，你的電路可能有足夠的電容繼續正常工作

C0G，X7R…電介質(zhì)有著(zhù)奇怪的名字和混雜的特性。當他們的特點(diǎn)在這里閃耀。

• C0G/NP0：這是市場(chǎng)上最炫的陶瓷電容器。通常情況下，它們可從1pF到100nF，公差為5%。NPO代表正負零，電容系數圖的形狀，在溫度范圍內看起來(lái)平坦。當需要精確的值和穩定性時(shí)，你應該使用它們。

• X7R：現代的主力軍。它們具有優(yōu)良的電壓和溫度系數，在100pF和22uF之間很受歡迎。它們在去耦應用中應用最廣泛，溫度范圍很廣-55°C至125°C。

• X5R：與X7R相似，但額定值為85°C而不是125°C。

• Y5V：可達到極高的電容值，但具有較低的電壓和溫度額定值（最大可損失82%的電容）。

• Z5U：與Y5V類(lèi)似，Z5U電容器的電壓和溫度性能較差，價(jià)格極為便宜。評級僅為-10°C。僅用于低成本消費類(lèi)設備去耦。

用不同的介質(zhì)匹配電容器會(huì )導致意想不到的結果。

例如，Z5U電容器非常便宜，使用鈦酸鋇介質(zhì)。這種材料具有很高的介電常數，使電容體積比非常好，自諧振頻率通常在1兆赫至20兆赫之間。

NPO在10Mhz以上的頻率下表現更好，那么為什么不混合和匹配它們以獲得更寬的頻率性能呢？

不幸的是，當Z5U和NP0電容并聯(lián)時(shí)，較高的介電常數材料會(huì )抑制NPO的諧振頻率，而這兩者的結合會(huì )導致整體性能比僅質(zhì)量好的Z5U更差。

如果你縮短了一個(gè)充電電容器的輸出，你會(huì )發(fā)現自己的工作臺上坐著(zhù)一個(gè)完全放電的電容器，用悲傷的眼睛盯著(zhù)你。然而，情況并非總是如此。除了真空電容器之外，幾乎所有的電容器都在放電后保留部分電荷。

這種現象的發(fā)生是因為隨機取向的分子偶極子在電場(chǎng)的作用下隨著(zhù)時(shí)間的推移而排列，即使在沒(méi)有電場(chǎng)的情況下，它們新發(fā)現的取向也會(huì )保持不變。

陶瓷電容器可以保留0.6%的充電電壓NP0和2.5%的X7R。

Y5V電容器在額定電壓下可損失高達82%的電容，而NP0電容器的響應幾乎平坦。
如果你有應用，你必須改變輸出電壓，例如通過(guò)可配置的電壓源所要求的USB-PD標準馬克哈里斯在他的最近的文章，你可能會(huì )發(fā)現自己的電路性能明顯不可預測。