一、初始电容

1.1电容的基本原理

电容的功能就是以电场能的形式储存电能量。以平行板电容器为例，简单介绍下电容的基本原理。

         如上图所示，在两块距离较近、相互平行的金属平板上(平板之间为电介质)加载一个直流电压；稳定后，与电压正极相连的金属平板将呈现一定量的正电荷，而与电压负极相连的金属平板将呈现相等量的负电荷；这样，两个金属平板之间就会形成一个静电场，所以电容是以电场能的形式储存电能量，储存的电荷量为Q。

        电容储存的电荷量Q与电压U和自身属性(也就是电容值C)有关，也就是Q=U*C。根据理论推导，平行板电容器的电容公式如下：

 1.2电容的符号

 1.3电容的分类与作用

电容是由两个金属极，中间夹有绝缘材料（介质）构成的。由于绝缘材料的不同，所构成的电容器的种类也有所不同。

按结构分：固定电容，可变电容，微调电容；

介质材料分：按介质材料可分为：气体介质电容，液体介质电容，无机固体介质电容，有机固体介质电容。

按极性分为：有极性电容和无极性电容。 我们最常见到的就是电解电容。

电容作用：电容在电路中具有隔断直流电，通过交流电的作用，因此常用于级间耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐等。

1.4电容的单位     

电容的基本单位是：F （法），此外还有μF（微法）、nF（用的比较少）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。  他们之间的具体换算如下：  

1F＝1000 000μF

1μF=1000nF=1000 000pF  

1.5电容的耐压值   

一个电容都有它的耐压值，这是电容的重要参数之一。

普通无极性电容的标称耐压值有：63V、100V、160V、250V、400V、600V、1000V等；

有极性电容的耐压值相对要比无极性电容的耐压要低，一般的标称耐压值有：4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、220V、400V等。

1.6电容的标称及识别法

1. 由于电容体积要比电阻大，所以一般都使用直接标称法。如果数字是0.001，那它代表的是0.001uF＝1nF，如果是10n，那么就是10nF，同样100p就是100pF。

2. 不标单位的直接表示法：用1~4位数字表示，容量单位为pF，如350为350pF，3为3pF，0.5为0.5pF

3. 色码表示法：沿电容引线方向，用不同的颜色表示不同的数字，第一，  二种环表示电容量，第三种颜色表示有效数字后零的个数（单位为pF）。

颜色意义：黑=0、棕=1、红=2、橙=3、黄=4、绿=5、蓝=6、紫=7、灰=8、白=9。

二、电容的工艺与结构

根据电容公式，电容量的大小除了与电容的尺寸有关，与电介质的介电常数(Permittivity)有关。电介质的性能影响着电容的性能，不同的介质适用于不同的制造工艺。

电容的制造工艺主要可以分为三大类：

· 薄膜电容(Film Capacitor)

· 电解电容(Electrolytic Capacitor)

· 陶瓷电容(Ceramic Capacitor)

2.1 薄膜电容(Film Capacitor)

Film Capacitor在国内通常翻译为薄膜电容，但和Thin Film工艺是不一样的。

薄膜电容是通过将两片带有金属电极的塑料膜卷绕成一个圆柱形，最后封装成型；由于其介质通常是塑料材料，也称为塑料薄膜电容；其内部结构大致如下图所示：

薄膜电容根据其电极的制作工艺，可以分为两类：

金属箔薄膜电容(Film/Foil)

金属箔薄膜电容，直接在塑料膜上加一层薄金属箔，通常是铝箔，作为电极；这种工艺较为简单，电极方便引出，可以应用于大电流场合。

金属化薄膜电容(Metallized Film)

金属化薄膜电容，通过真空沉积(Vacuum Deposited)工艺直接在塑料膜的表面形成一个很薄的金属表面，作为电极；由于电极厚度很薄，可以绕制成更大容量的电容；但由于电极厚度薄，只适用于小电流场合。

金属化薄膜电容就是具有自我修复的功能，即假如电容内部有击穿损坏点，会在损坏处产生雪崩效应，气化金属在损坏处将形成一个气化集合面，短路消失，损坏点被修复；因此，金属化薄膜电容可靠性非常高，不存在短路失效；

薄膜电容有两种卷绕方法：有感绕法在卷绕前，引线就已经和内部电极连在一起；无感绕法在绕制后，会采用镀金等工艺，将两个端面的内部电极连成一个面，这样可以获得较小的ESL，应该高频性能较高；此外，还有一种叠层型的无感电容，结构与MLCC类似，性能较好，便于做成SMD封装。

        最早的薄膜电容的介质材料是用纸浸注在油或石蜡中，英国人D'斐茨杰拉德于1876年发明的；工作电压很高。现在多用塑料材料，也就是高分子聚合物，根据其介质材料的不同，主要有以下几种： 

 2.2 电解电容(Electrolytic Capacitor)

电解电容是用金属作为阳极(Anode)，并在表面形成一层金属氧化膜作为介质；然后湿式或固态的电解质和金属作为阴极(Cathode)。电解电容大都是有极性的，如果阴极侧的金属，也有一层氧化膜，就是无极性的电解电容。

根据使用的金属的不同，目前只要有三类电解电容：

铝电解电容(Aluminum electrolytic capacitors)

使用电解液的湿式铝电解电容应用最广；优点就是电容量大、额定电压高、便宜；缺点也很明显，就是寿命较短、温度特性不好、ESR和ESL较大。聚合物铝电解电容的ESR较小，容值更稳定，瞬态响应好；由于是固态，抗冲击振动能力比湿式的要好；可以做出较小的SMD封装。

钽电解电容(Tantalum electrolytic capacitors)

钽电容寿命较长，电性能更加稳定。

铌电解电容(Niobium electrolytic capacitors)

2.3 陶瓷电容(Ceramic Capacitor)

陶瓷电容是以陶瓷材料作为介质材料，陶瓷材料有很多种，介电常数、稳定性都有不同，适用于不同的场合。

陶瓷电容，主要有以下几种：

瓷片电容(Ceramic Disc Capacitor)

瓷片电容的主要优点就是可以耐高压，通常用作安规电容，可以耐250V交流电压。其外观和结构如下图所示：

三、电容的参数 

3.1 容值

一般陶瓷电容最小有0.5pF的，常用的0402电容最大一般是10uF10V，0805的电容最大一般是47uF10V。电解电容都是10uF起步，没有nF这么小的，常用的最大可以到10000uF左右。

通常选型的时候为了好采购、成本低，一般都不会顶格选电容，设计的时候推荐0402最大选4.7uF，0603最大选10uF，0805最大选22uF。 至于电解电容，也是一样的，先选定容值和耐压值，然后去规格书上找常用的尺寸。

容值能不能做的更大，主要看体积。变压器站用的高压电容，有很多比一个箱子还要大。普通电解电容最大也可以做到手臂那么大颗。

那么能不能做的更小，比0.5pF还小呢？能，但是没有意义。一个0402的电容的焊盘寄生电容就有接近1pF了。这么小的电容，主要是给射频部分使用的。

陶瓷电容标不下容值，一般通体黄色或褐色。 电解电容的容值一般按照实际值标注在外壳上，如220uF 25V的信息。钽电容的容值标在电容表面，用和电阻一样的标注方式，单位是pF。例如226，就是22x106pF=22uF。

3.2 耐压值

电容耐压值是指电容器在电路长期有效的工作而不被击穿所能承受的最大直流电压。对于结构、介质、容量相同的器件，耐压值越高体积越大。

固定式电容器的耐压系列值有1.6V、4V、6.3V、10V、16V、25V、32V、35V、40V、 50V、63V、100V、125V、160V、250V、300V、400V、450V、500V、630V、1000V等。 电容器的耐压值通常在电容器表面以数字的形式标注出来。

电解电容推荐使用2倍以上，以避免供应商品质控制不严格带来的隐患。钽电容一定要严格按照2倍以上来选择（华为的标准按3倍来算），因为钽电容比较容易被击穿。

陶瓷电容可以选择略小一些的，推荐使用1.6-2倍左右，因为陶瓷电容对高压的耐受能力比较好。

3.3 温度系数

一般来说，电容器的静电容量会随着使用温度的变化而变化。变化幅度越小，温度特性越好；幅度越大，温度特性越差。当电容器使用于温度较高的汽车引擎室内或者南极等寒冷地区的电子设备中时，必须考虑其使用环境条件来进行设计。

温度特性良好的电容器有导电性高分子铝电解电容器（高分子AI）、薄膜电容器（Film）、温度补偿用独石陶瓷电容器(MLCC)。导电性高分子钽电容器（高分子Ta）、高介电常数独石陶瓷电容器（MLCC）在高温区域中静电容量变化变大。

3.4 等效串联电阻（ESR）

ESR越低，损耗越小，输出电流就越大，电容器的品质越高。ESR 是Equivalent Series Resistance的缩写，即“等效串联电阻”。理想的电容自身不会有任何能量损失，但实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串联在一起，所以就称为“等效串联电阻”。

一个等效串联电阻（ESR）很小的相对较大容量的外部电容能很好地吸收快速转换时的峰值（纹波）电流。但是，有时这样的选择容易引起稳压器（特别是线性稳压器 LDO）的不稳定，所以必须合理选择小容量和大容量电容的容值。

   串联等效电阻ESR的单位是毫欧（mΩ）。通常钽电容的ESR通常都在100毫欧以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的 ESR甚至会高达数欧姆。ESR的高低，与电容器的容量、电压、频率及温度都有关系，当额定电压固定时，容量愈大 ESR愈低。同样当容量固定时，选用高的额定电压的品种也能降低 ESR；故选用耐压高的电容确实有许多好处；低频时ESR高，高频时ESR低；高温也会造成ESR的升高。 ESR值与纹波电压的关系可以用公式V=R（ESR）×I表示。这个公式中的V就表示纹波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高，因此采用更低ESR值的电容是势在必行的。

滤波电路 几个电容并联和一个大电容（容量相等）两者电容容量是相等的。但是现实中电容是有等效串联电感和等效串联电阻寄生参数，一个电容可以看做下图的模型，一个大电容的ESL和ESR是要比小容量的电容大的，而在同容量下ESL和ESR的数值越小电容的滤波能力就越强，所以多个电容并联和一个容量相等的大电容的主要区别是，多个电容并联的ESL和ESR要比一个容量相等大电容要低很多，滤波能力更强。你不妨先认为小容量的电容（假设100u）的ESL和ESR跟大电容（200u）的ESL和ESR相等，然后两个小电容并联后其等效电容等于200u，但是其ESL和ESR因为并联而减半，所以两个小电容并联的滤波能力更强。假如是此时四个并联，那么ESL和ESR就是大电容的四分之一。

3.5 和漏电流（DCL）

电容介质不可能绝对不导电，当电容加上直流电压时，电容器会有漏电流产生。若漏电流太大，电容器就会发热损坏。

除电解电容外，其他电容器的漏电流是极小的，故用绝缘电阻参数来表示其绝缘性能；而电解电容因漏电较大，故用漏电流表示其绝缘性能（与容量成正比）。对电容器施加额定直流工作电压将观察到充电电流的变化开始很大，随着时间而下降，到某一终值时达到较稳定状态这一终值电流称为漏电流。

其计算公式为：I=kCU(μa)；其中k值为漏电流常数，单位为μa(v·μf)，I为漏电流，C为电容，U为电压。

漏电流分为四种，分别为：半导体元件漏电流、电源漏电流、电容漏电流和滤波器漏电流。

漏电流还是I＝0.02×CU吧！计算出的单位是uA。但机器本身漏电误差都可能超过计算值。老化测试时间40度2～4小时连续，通有多种杂波的直流。I＝0.02×50V×0.1uF＝0.1uA。你的漏电漏测试是测直流漏电。

电源滤波器漏电流定义为：在额定交流电压下滤波器外壳到交流进线任意端的电流。

如果滤波器的所有端口与外壳之间是完全绝缘的，则漏电流的值主要取决于共模电容CY的漏电流，即主要取决于CY的容量。

 3.6 精度

电容的精度普遍都不高，陶瓷电容精度高一些的有5%的（J档），普通的10%（K档）、20%（M档），还有些+80%～-20%（Z档）。pF级别的5%比较多，nF级别的10%比较多，uF级别的普遍都是20%。电解电容普遍也都是20%。

为什么几乎用不到高精度电容呢？因为电容大部分时候是用来给电源稳压的，容值差一点不影响使用效果。 偶尔有射频匹配和滤波网络需要用到pF级别的电容，5%也足够用了，不足以对滤波器的频点造成影响。

3.7 尺寸

电容的尺寸：对于陶瓷电容和钽电容，其尺寸和电阻一样，小尺寸的用英制，0201、0402、0603、0805，大尺寸的用公制，如2520、3525等。对于柱状的电解电容，一般是用“直径x高度”的方式来描述尺寸。

因此硬件设计的时候，要考虑预留的电容的尺寸尽可能的大。如果你预留6x11的位置，一般最大也就用100uF 25V的了，想换小的节省成本没有问题，但想换大的就很难了，电容厂家做不出来6x11的470uF 25V的电容。同样的问题在陶瓷电容上也需要注意，例如预留一个0805的电容，一般最大也就能贴22uF 6.3V的了，想要更大容值或更高电压就很难找到物料了。

3.8 封装、功率和耐压

功率和散热都与封装有关。功率选大了，成本会高，造成浪费；功率选小了，电阻发热会很严重。功率在0.125w之下的一般选0805封装(贴片电容)。

电容的耐压值，在弱电领域主要有4V、6.3V、10V、16V、20V、25V、35V、50V这些档位。上百伏的电容主要用在强电上。耐压值的选择非常非常重要，选错了会有生命危险。

如果把25V的电容，用在50V的电源上，会怎么样？陶瓷电容有机会扛得住，也可能被烧掉短路了。电解电容一般扛不住，直接击穿短路或干脆爆炸了。钽电容一定扛不住，升起一团烟火就烧掉了。

硬件设计选择电容的时候，务必要考虑清楚线路的最高电压，通常是折半使用，就是电容耐压值要达到线路电压的2倍或更多。例如5V电源上的电容要选择10V的，而不是6.3V的。20V的电源上的电容要选择50V的电容，而不是35V的。

经验上看，陶瓷电容可以选择略小一些的，因为陶瓷电容对高压的耐受能力比较好。钽电容一定要严格按照2倍以上来选择，因为钽电容比较容易被击穿。电解电容推荐使用2倍以上，以避免供应商品质控制不严格带来的隐患。

电容的方向：陶瓷电容不分正负极，电解电容和钽电容都有正负极的区分。如果接反了，就会击穿然后起火或者爆炸。

不巧的是，电解电容和钽电容都是对称的，正反都能焊接。在硬件设计的时候，要从原理图、PCB上明确区分电解电容和钽电容的正负极，不能画反了。SMT贴片的时候也要注意不能反着贴。

四、电容的典型应用

4.1、隔直流

理论上越大越好。可实际中电容大了，会有电感和漏电（电阻）。影响幅频特性。因此，电容以频段够用为原则。较粗的算法 1/wc 为阻抗。小到你可以忽略就行了。

4.2、旁路（去耦）

        旁路电容：旁路电容，又称为退耦电容，是为某个器件提供能量的储能器件，它利用了电容的频率阻抗特性（理想电容的频率特性随频率的升高，阻抗降低），就像一个水塘，它能使输出电压输出均匀，降低负载电压波动。旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚，这是阻抗要求，在画PCB时候特别要注意，只有靠近某个元器件时候才能抑制电压或其他输信号因过大而导致的地电位抬高和噪声，说白了就是把直流电源中的交流分量，通过电容耦合到电源地中，起到了净化直流电源的作用。

        去耦电容：去耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象，去耦电容相当于电池，利用其充放电，使得放大后的信号不会因电流的突变而受干扰。它的容量根据信号的频率、抑制波纹程度而定，去耦电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

旁路电容实际也是去耦合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取 0.1F、0.01F 等；而去耦合电容的容量一般较大，可能是 10F 或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。

 4.3、耦合

        用在耦合电路中的电容称为耦合电容，在阻容耦合放大器和其他电容耦合电路中大量使用这种电容电路，起隔直流通交流作用。

 4.4、滤波

        滤波电容是指安装在整流电路两端用以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出的一种储能器件，在电源滤波和各种滤波器电路中使用这种电容电路，滤波电容将一定频段内的信号从总信号中去除。由于滤波电路要求储能电容有较大电容量。所以，绝大多数滤波电路使用电解电容。电解电容由于其使用电解质作为电极（负极）而得名。

4.5、温度补偿

        针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。由于定时电容的容量决定了行振荡器的振荡频率，所以要求定时电容的容量非常稳定，不随环境湿度变化而变化，这样才能使行振荡器的振荡频率稳定。因此采用正、负温度系数的电容释联，进行温度互补。

当工作温度升高时，Cl的容量在增大，而C2的容量在减小，两只电容并联后的总容量为两只电容容量之和，由于一个容量在增大而另一个在减小，所以总容量基本不变。

同理，在温度降低时，一个电容的容量在减小而另一个在增大，总的容量基本不变，稳定了振荡频率，实现温度补偿目的。

4.6、调谐

4.7、储能

        储能作用：一般地，电解电容都会有储能的作用。对于专门的储能作用的电容，电容储能的机理为双电层电容以及法拉第电容，其主要形式为超级电容储能，其中超级电容器是利用双电层原理的电容器，当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。

4.8、 退耦

用在退耦电路中的电容器称为退耦电容，在多级放大器的直流电压供给电路中使用这种电容电路，退耦电容消除每级放大器之间的有害低频交连。

4.9、高频消振

用在高频消振电路中的电容称为高频消振电容，在音频负反馈放大器中，为了消振可能出现的高频自激，采用这种电容电路，以消除放大器可能出现的高频啸叫。

4.10、中和、积分、微分

4.11、分频

        在分频电路中的电容器称为分频电容，在音箱的扬声器分频电路中，使用分频电容电路，以使高频扬声器工作在高频段，中频扬声器工作在中频段，低频扬声器工作在低频段。

五、电容的使用经验

（1）在电源和负载之间一定要有一个电容用来储能滤波。

（2）如果负载的电流在150mA以下，这个储能电容一般选择220uF或330uF或是更大的。

（3）实际选取的电容一般会比计算得到的大10~50倍，譬如计算得到的是68uF，实际可能会使用680uF。 因为电解电容的误差比较大，所以一般会选择比较大的。

（4）在电源附近的电容有储能的作用，还有滤波的作用，但是储能用的电容的容值一般比较大，所以一般它只能虑除低频波；因此在储能电容的附近还会加一个容值非常小的电容，用来虑除高频波。储能电容一般使用电解电容，而虑高频的电容一般是小的瓷片电容，一般选用104电容。

（5）在1uF以上的电容一般选用电解电容，因为电解电容的容量比较大，虽然精度不高，大容量的话只能选择电解电容；小容量的一般选择瓷片电容 （一般是贴片式的也有插件式的，这两种封装在功能上没有任何的区别，仅仅在画PCB的时候需要考虑，譬如如果这个板子对高度有要求，就可以选择贴片的），瓷片电容的特点：容量小但精度高；瓷片电容和电解电容一般在电源部分配合使用。瓷片电容没有极性，电解电容有极性，有加号的一端一定要接正极，反接会使电源短路，电容会爆炸，瓷片电容一般用来滤高频波。

（6）瓷片电容的容值一般是：几皮法到几百纳法之间，譬如：33皮法、68皮法、47皮法、100皮法、200皮法、220皮法、 470皮法、860皮法、1000皮法=1纳法（102电容）、2.2纳法、4.7纳法、10纳法（103电容）、100纳法（104）等等。当电源来了一个很高的电压脉冲（高的dv/dt，也就是电压的变化率很大，高的dv/dt会对后面的电路造成很大的电磁干扰）之后，就可以经过瓷片电容，从而不会对后面的电路造成影响。浪涌电流：高的di/dt；尖峰电压：高的dv/dt。一般选择104电容来滤除高频。

（8）电容的容抗=1/(2πfC)：f指的是电源的频率，C指的是电容的容值；频率越大，容抗越小。

（9）带宽：任何一个电路都是工作在一定的频率范围之内的，这个频率范围就叫做这个电路的带宽。大于或是小于这个带宽电路都可能不会正常工作。电路中肯定是有很多电容的，根据电容容抗的计算公式可以看出，频率过高或过低都会使电容工作不同的特性，也就是电路板是不稳定的，从这个角度也需要有这个带宽的存在。

（10）电压：选耐压值多大的电容，耐压值一般选取电容两端电压的1.5倍（取一些余量，可以增长电容的使用寿命），譬如电容正极的电压是50v，那可以选择耐压值为75v的电容。