电容的选 记珊陀τ们魇

中心议题：

• 电源滤波电容的选择
• 电机驱动滤波电容的选择
• 运放电路中的电容选择
• 电容器的应用趋势

 

2011年，我国提供了全球近三分之一的无源元件。中国电子元器件行业协会数据显示，中国2011年电容器销售总额达67亿美元，比2010年增长了5%。以电阻、电感、电容等为代表的被动元件从2011年以来已经开始稳中有升，平板电脑为代表的消费电子，以及受各种利好政策的积极影响的白色家电、汽车电子、手持设备等市场对被动元件需求增加，电阻、电容等市场的前景可以说十分乐观。本期半月谈将聚焦电容在不同场合的选型和应用，同时展望电容在应用市场上呈现的趋势。

电容有很多种命名方法，按照功能分，包括旁路电容，去耦电容，滤波电容；按照介质又可分为瓷介、薄膜介质（含多种薄膜）、铝电解电容器……不过无论是哪种电容，它的原理都是一样的，即利用对交流信号呈现低阻抗的特性——工作频率越高，电容值越大则电容的阻抗越小。在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路，就称为旁路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么又可以称为滤波电容；除此以外，对于直流电压，电容器还可作为电路储能，利用充放电起到电池的作用。

正因为电容广泛的应用，如何选择适合和电容器就成了许多工程师关注的话题。

电源滤波电容的选择

电容的阻抗与频率成反比，所以电容可以阻挡低频通过。电感正相反——所以二者适当组合,就可过滤各种频率信号。如在整流电路中,将电容并在负载上或将电感串联在负载上,可滤去交流纹波。

由于电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号，但即使是低频信号，其频率也分为了好几个数量级。因此为了适合在不同频率下使用，电解电容也分为高频电容和低频电容（这里的高频是相对而言）。

低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为50Hz；而高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。当我们将低频滤波电容用于高频电路时，由于低频滤波电容高频特性不好，它在高频充放电时内阻较大，等效电感较高。因此在使用中会因电解液的频繁极化而产生较大的热量。而较高的温度将使电容内部的电解液气化，电容内压力升高，最终导致电容的鼓包和爆裂。

电源滤波电容的大小，平时做设计，前级用4.7u,用于滤低频，二级用0.1u，用于滤高频，4.7uF的电容作用是减小输出脉动和低频干扰，0.1uF的电容应该是减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰。一般前面那个越大越好，两个电容值相差大概100倍左右。电源滤波，开关电源，要看你的ESR(电容的等效串联电阻)有多大，而高频电容的选择最好在其自谐振频率上。大电容是防止浪涌，机理就好比大水库防洪能力更强一样；小电容滤高频干扰，任何器件都可以等效成一个电阻、电感、电容的串并联电路，也就有了自谐振，只有在这个自谐振频率上，等效电阻最小，所以滤波最好。

电容的等效模型为一电感L，一电阻R和电容C的串联（下图），电感L为电容引线所至，电阻R代表电容的有功功率损耗。因而可等效为串联LC回路求其谐振频率，串联谐振的条件为WL=1/WC,W=2*PI*f,从而得到此式子f = 1/(2pi* LC)，串联LC回路中心频率处电抗最小表现为纯电阻，所以中心频率处起到滤波效果．引线电感的大小因其粗细长短而不同，接地电容的电感一般是1MM为 10nH左右，取决于需要接地的频率。

采用电容滤波设计需要考虑参数ESR、ESL、耐压值和谐振频率。

电机驱动滤波电容的选择

电路中滤波电容的选型需要考虑几个方面：电容耐压、工作温度、容量等。理论上说电源滤波用电容越大越好，一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。为了获得更大的滤波频段，可以将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上。在电源设计中,滤波电容的选取原则是C≥2.5T/R，在实际的应用中一般都选取C≥5T/R。

以电机驱动应用中的滤波电容为例，输入滤波电容容量的选择和驱动器的驱动电压、最大功率有直接关系，需要作一些计算得到如果此电容容量过少，驱动器表现为驱动力不足；而容量过大，则增加制造成本。工程应用中，有这样的一个经验法则：滤波电容容量数值等于驱动功率数值。但需要注意，这只是针对单相220V交流电全波整流的驱动应用。

首先，从电容、电阻的RC时间常数τ说起：τ越大，则R两端的电压越平稳，对于脉动电源，则其纹波电压越少。在工程上，当RC时间常数满足以下条件时，可以满足纹波要求。T为脉动电源的周期，对于50Hz市电经全波整流后的周期T为：10mS。

故由上两式可以得； R为等效负载电阻； C为滤波电容容量。所以，只要得到电机驱动器的等效负载电阻，即可算出滤波电容所需的容量大小。

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运放电路中的电容选择

电容器在实际使用时可能是不理想的，考虑到尺寸和成本，大多数实用的、大数值的电容都是电解型的，可见，这样的电容特别适用于滤除低频噪声：
Z=RC+jωLC+1/jωC。

当频率增加时，电解电容的容抗将降低，直到感抗等于容抗为止，取决于所用的电解电容的确切型号，它可能出现在大约1MHz的频率处。对于高频旁路，要求选用不同型号的电容，通常是推荐一种廉价的、小型陶瓷电容（0.01～0.1μF）。在1 MHz处，0.1μF电容的容抗是1.6Ω，但是应注意，廉价的陶瓷电容多半不都只是 “容”性的。

陶瓷电容有很多功用，优良NPO（负-正-零温度系数）器件有±30p pm/℃的温度系数，并且相对较便宜。但是陶瓷电容不是灵丹妙药，取决于用作结构材料的陶瓷介质成分，它们有0.1％到1％，甚至更多的介质吸收（D.A.）作用。介质吸收其实就是，当快速充电和放电时，吸入到介质内的电荷不能马上加到电容上或从电容上离开。这种效应在有很多通道的数据收集系统中是有害的。在转换以前，这些通道里都有由采样-保持电路采集的各种各样的数据，在 最大阶跃的最坏情形中，由保持电容的介质吸收引起的误差，等于介质吸收能力 。

由于正在测量的电压和以前测量的电压之间的差值决定了介质吸收指数所要乘的系数，所以对这个误差源做快速校正是不可能的。唯一的解决办法是使用一个介质吸收低于最大可允许误差的电容器。

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电容器的应用趋势

电容经过发展，目前体现出了以下趋势：片式多层瓷介电容器占主要比例，钽电解电容器急剧增长，铝电解电容器和薄膜介质电容器所占比例下降，可变和微调电容器量在下降，云母、纸介和一些有机薄膜介质、管状瓷介等面临淘汰；高频特性及耐温不易解决和卷绕式结构的电容器下降幅度大……而在应用方面，由于无线通信的不断发展，3G、4G对电容器产品提出了更高的要求；医疗电子也迈向小型化和便携化，让电容器在医疗电子抗干扰、稳压等等方面迎来了新的发展……

小型化加速多层陶瓷电容发展。移动电话、计算机、数码相机、汽车等领域大量使用多层陶瓷电容，但近年来数字产品的技术进步对陶瓷电容提出了新要求。例如，移动电话的迅猛发展要求更高的传输速率和更高的性能。在基带中，为了满足TV、视频、游戏的要求，需要高速度、低电压的处理器；LCD模块要求低厚度(0.5mm)、大容量电容；PA模块则期待小型化的产品。自2011开始，高端机顶盒(STB)、高清电视和汽车电子产品正在成为电容器生产线的主要驱动力。手机、无线网卡和SD卡等小型设备将刺激多层陶瓷电容器(MLCC)的增长，进一步推动小型化趋势。

新能源汽车、光伏、LED照明等节能领域的蓬勃发展推动电容的广泛应用。电动汽车、风力、太阳能发电推动了阻容的使用。风能发电电源管理系统的时候，选型时主要考虑高电压、大容值的电容器，产生很大的产品需求。比如风能产品系统，有三处运用电容器到这个产品中，第一个可以选用薄膜电容器做高电压吸收的应用；还有一个是DC- LINK，DC-DC转换过程中，起滤波储能的作用；还有并网的时候还有抗干扰的电容。

以铝电解电容为例，在换混合动力、电动汽车的电池充电、电压转换、逆变器等电路中，对铝电解电容的需求越来越高，而铝电解电容也是风电、光伏应用中逆变、变压模块不可或缺的部分，到2015年市场规模有望达到55亿元。

LED照明方案中，对LED灯的使用寿命影响最大的器件就是去耦电容器。虽然无电解电容的LED照明方案也已经推出，但是如果不采用电解电容，LED驱动器的设计会变得非常昂贵。在低功率水平上，通过用陶瓷电容取代电解电容可以解决这一问题，而在高品质光源灯具上，电解电容是难以去除的。在高品质光源灯具上，电解电容是难以去除的。事实上，如果电解电容质量很好，可以达到105摄氏度的工作温度和10000小时额定工作时间，就没有必要将电解电容从LED驱动设计中去除。

当然，各个厂商也在积极展示自己在节能领域的实力。TDK-EPC曾在亚洲风能大会暨国际风能设备展览会上展出了其用于风能和太阳能的最重要的创新元件产品系列和解决方案包括爱普科斯（EPCOS）电力电容器，铝电解电容器以及EMC滤波器和压敏电阻。此外，村田、太阳诱电等领先的阻容元件厂商都在积极地投身了节能应用。

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