為什么需要那么多種電容

我們電路設(shè)計(jì)越來越多的是以MCU、CPU為核心的數(shù)字電路設(shè)計(jì)，周邊的時(shí)鐘、電源電路。所以我們以這三種電容為主。

因?yàn)閿?shù)字電路，所以有大量的數(shù)字電路輸出的“0”“1”翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致，需要大量的去耦電容。

圖中開關(guān)Q的不同位置代表了輸出的“0”“1”兩種狀態(tài)。

假定由于電路狀態(tài)裝換，開關(guān)Q接通RL低電平，負(fù)載電容對地放電，隨著負(fù)載電容電壓下降，它積累的電荷流向地，在接地回路上形成一個(gè)大的電流浪涌。

隨著放電電流建立然后衰減，這一電流變化作用于接地引腳的電感LG，這樣在芯片外的電路板“地”與芯片內(nèi)的地之間，會(huì)形成一定的電壓差，如圖中VG。同樣的對于電源端，每次信號翻轉(zhuǎn)，都會(huì)引入了電壓差。

當(dāng)N多的翻轉(zhuǎn)出現(xiàn)的時(shí)候，我們需要運(yùn)用去耦電容，去耦電容可以防止這種噪聲向外傳播，所以我們放一些電容靠近器件的電源管腳。

由于去耦電容一般對電容器的精度沒有很嚴(yán)格要求，選用時(shí)可根據(jù)設(shè)計(jì)值，選用相近容量或容量接近的電容器就可以。

實(shí)際的電容存在寄生電感與等效串聯(lián)電阻。由于單個(gè)電容的ESR、ESL相近，他們的阻抗特性也是相近的，單個(gè)電容與多個(gè)特性相同的電容并聯(lián)阻抗特性圖

容值不同的電容

所以在這個(gè)場景中，我們需要一種：

1、1nF~10uF容量，精度要求不高；

2、由于用量比較大（電源管腳比較多），成本比較低、相同容量情況下體積比較小的電容；

3、ESR、ESL比較小的電容。（需要去耦的信號頻率比較高，并保證去耦效果）

多層片陶瓷電容（MLCC）就顯得非常合適。

電源系統(tǒng)的去耦設(shè)計(jì)的一個(gè)原則，就是在需要考慮的頻率范圍內(nèi)，使整個(gè)電源分配系統(tǒng)的阻抗最低。

由于芯片特別是CPU、FPGA、DSP等，多IO、大功率芯片作為電路的核心，這些芯片的電源管腳也比較多，所以去耦電容的用量就比較大。

一般我們芯片由于速率越來越高，所以接口電平也就越來越低，導(dǎo)致我們的電路板上會(huì)有多種電壓值的電源，早期數(shù)字電路電源以5V、3.3V為主，現(xiàn)在數(shù)字電路電源原來越豐富：2.5V、1.8V、1.5V、1.1V、1.0V、0.9V，可調(diào)可控電源等等。所以這些開關(guān)電源的輸入電容和輸出電容也需要大量使用。

由于鋁電解電容容量容易做大，耐壓比較做高，所以電源的輸入電容主要會(huì)選擇鋁電解電容。輸出電容會(huì)選擇鋁電解電容和鉭電容。鋁電解電容的電容量：0.47--10000u，額定電壓：6.3--450V。鋁電解電容的主要特點(diǎn)：體積小，容量大，損耗大，漏電大，耐壓比較高。

早期，開關(guān)電源的輸入電容和輸出電容會(huì)使用鋁電解電容，在對期望ESR比較小的場景我們會(huì)選擇鉭電解電容。

但是鋁電解電容有個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是電解液會(huì)干涸，壽命比較短，另外ESR比較大。鉭電解電容由于其失效模式比較恐怖，會(huì)爆炸，可能引起燃燒。

目前，隨著MLCC的工藝優(yōu)惠持續(xù)發(fā)展，我們會(huì)在一些小電流低電壓的開關(guān)電源的輸入、輸出端采用MLCC代替鋁電解電容。

一般來說，開關(guān)電源的輸出端電容一般在100uF以上，陶瓷電容雖然標(biāo)稱值可以達(dá)到100uF，但是由于其溫度穩(wěn)定性差、電容值會(huì)隨著直流電壓的增大而增大。最主要的原因是輸出端電容的容值很可能需要數(shù)百甚至數(shù)千uF，如果使用陶瓷電容，往往由于其單體容量有限，達(dá)不到濾波的效果。

目前大量的固態(tài)鉭電容、固態(tài)鋁電容逐步替代鋁電解電容和鉭電解電容。

相比鋁電解電容壽命長、更可靠；相對MnO2鉭電解電容來說，沒有恐怖的失效模式，且更不容易失效。相對MLCC來說直流偏壓特性更穩(wěn)定、溫度特性更穩(wěn)定。

最大的問題是：貴。目前一些利潤比較高的行業(yè)已經(jīng)逐步大量使用 固態(tài)鋁電解電容。由于鉭元素相對比較稀缺，有可能全球耗盡。所以固體鋁電容越來越多的被使用。

由于耐壓和容量還需要進(jìn)一步提升，所以還有一個(gè)發(fā)展過程。但是，電容一樣會(huì)像CPU一樣遵循類似摩爾定律的規(guī)律快速發(fā)展。

但是固體電容也有弱點(diǎn)。固定電容實(shí)際使用的就是高分子聚合物（Polymer）。Polymer鉭電容比MnO2鉭電容在熱穩(wěn)定性上稍微差一些。MnO2鉭電容不存在老化壽命的問題，而Polymer電容的退化機(jī)理主要是由于高分子有機(jī)體在高溫下會(huì)分解導(dǎo)致導(dǎo)電率下降，可以算半永久失效。Polymer鉭電容在潮敏性能上不如MnO2鉭電容，主要原因是陰極材料Polymer聚合物在特定溫度下會(huì)與水和氧起作用而分解，導(dǎo)致容量、ESR等特性下降甚至失效。因此會(huì)特別要求回流焊溫度條件下，不能有潮氣侵入。

以上說的本質(zhì)都是電源濾波。

對于溫度穩(wěn)定性、精度其實(shí)都沒有特別嚴(yán)格的要求。所以也是大家最常用的幾種電容。

MLCC并不只是應(yīng)用于去耦電容或者電源濾波。振蕩器、諧振器的槽路電容,以及高頻電路中的耦合電容，這時(shí)普通的X7R、X5R普通特性的陶瓷電容已經(jīng)不能滿足要求，我們需要溫度特性更好的陶瓷電容。

帶溫度補(bǔ)償?shù)腃0G電容器適合用于振蕩器、諧振器的槽路電容,以及高頻電路中的耦合電容。

但是模擬電路除了電源濾波、儲(chǔ)能、去耦等場景之外，還有一個(gè)比較重要的應(yīng)用就是信號濾波。交流耦合的本質(zhì)就是一種信號濾波。

RC、LC濾波的時(shí)候，C值的精度和穩(wěn)定度就顯得尤為重要。由上圖可以知道電容的容值會(huì)影響幅頻特性、相頻特性。

在一些多通道信號的場景中，需要保證各個(gè)通道的信號相位一致性和穩(wěn)定度，例如相控陣?yán)走_(dá)、聲吶系統(tǒng)等，我們就需要精確的控制電容的容值。

在時(shí)鐘或者射頻信號中，我們還需要振蕩器、諧振器等等，不但需要電容值穩(wěn)定精準(zhǔn)，還需要更好的Q值。

這時(shí)，無極性的鉭電容、聚苯乙烯電容、高穩(wěn)定度的陶瓷電容、云母電容就有了其特有的需求場景。

我們在設(shè)計(jì)一次電源（ACDC）時(shí)，還需要使用安規(guī)電容。需求是：內(nèi)阻小、耐壓高。 安規(guī)電容器是行業(yè)對抑制電源電磁干擾用固定電容器的俗稱，因?yàn)樵擃愲娙莘习踩?guī)范、且通過安全規(guī)范測試認(rèn)證，同時(shí)其本體印刷有多個(gè)國家的安全認(rèn)證LOGO標(biāo)志，故而稱為安規(guī)電容器。此類電容在實(shí)際應(yīng)用中的“安規(guī)”表現(xiàn)在：即使電容器失效后，也不會(huì)導(dǎo)致 電擊，不危及人身安全；此外，它采用阻燃材料制造，頂多會(huì)爆炸（只是炸裂，沒有火產(chǎn)生，只產(chǎn)生氣體），然后就是開路，不會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。聚脂薄膜類電容就符合這種場景的需求。

通常，X電容多選用紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容。這種類型的電容體積較大，但其允許瞬間充放電的電流也很大，而其內(nèi)阻相應(yīng)較小。普通電容紋波電流的指標(biāo)都很低，動(dòng)態(tài)內(nèi)阻較高。用普通電容代替X電容，除了電容耐壓無法滿足標(biāo)準(zhǔn)之外，紋波電流指標(biāo)也難以符合要求。

我們在電路設(shè)計(jì)過程中，由于不同的應(yīng)用場景，需要不同容值、耐壓、精度、溫度穩(wěn)定度、電壓穩(wěn)定度、Q值、ESR、ESL等參數(shù)。而一種工藝和材料的電容很難滿足電路設(shè)計(jì)的各種場景。所以不斷衍生出各種電容器。只不過數(shù)字電路的發(fā)展迅猛、而模擬電路相對逐步萎縮，所以很多電容種類已經(jīng)不為硬件工程師所知。