深入了解电容：电容的参数指标解释

Posted 2022-02-23 bobuddy

电容的参数指标解释
容量
这个值通常是室温25℃，在一定频率和幅度的交流信号下测得的容量，一定要有这个标准，因为容量会随着温度，直流电压，交流电压值得变化而改变。

LRC测试仪一般用电桥法测量电容。

村田规定了不同容值范围的电容容值测量信号幅度和频率，如下。我们可以简单认为电容量是在直流分量电压下测量出来的容量值。例如C>10uF的电容，就是在0.5V偏压时对应的电容值。

 
值得一提的是，电容的容量会随着温度的变化而变化，不同材料的电容，变化趋势不同。铝电解电容器在-55～+125℃的温度范围中容量变化程度高达15%，多层陶瓷电容器根据类型的不同（比如说F特性品）容量变化范围达到+30～-80％。F特性品是村田对EIA Class II等级产品的统称。电容的温度特性在陶瓷电容MLCC章节会详细介绍。

额定电压
施加在电容上的最大直流电压，通常要求降额使用。
例如额定电压是4V，降额到70%使用，最高施加在电容两端的电压不得超过2.8V。要想获得更高的可靠性，可以降额更多来使用，例如50%，30%。电容厂家一般会告知合适的降额使用标准，如下是KEMET的T493系列钽电容提供的建议降额使用指导，注意电容的额定电压在高温区是要下降的。MLCC也一样。

漏电流&绝缘电阻
额定电压下，工作5分钟的平均漏电流。电容的绝缘电阻越大，漏电流越小。铝电解电容的漏电流在所有电容中漏电流是最大的，因此成为选型铝电解电容的关键参数指标。陶瓷电容的漏电流很小。
注意，漏电流与温度也有非常紧密的关系，温度越高，漏电流越大。
绝缘电阻是在20℃（或25℃），施加DC电压，不超过额定定压，测量2分钟平均漏电流，然后用电压除以电流，得到绝缘阻抗。不同材料的绝缘阻抗不同，分布如下：

 

 
等效串联电阻ESR
电容的等效模型如下，其中Rparallel标识绝缘阻抗。ESR可以认识是在ESL和C发生谐振（交流阻抗为0）频率下测得的值。

但并不是所有厂家都会提供ESR的值，他们也不会针对不同的容值用不同的谐振频率去测量ESR，因为这样耗时耗力。大部分厂家是施加一个直流+固定交流分量，交流分量一般钽电容100KHz，陶瓷电容10MHz，20℃（有些品牌是25℃）环境下，测得的等效串联电阻。
ESR越低，对PDN越有利，因为PDN追求的是降低整个电源网络的交流阻抗。此外，ESR与电容的功率损耗成正比。
下图是KEMET T493系列钽电容典型参数：

 

 

 

村田没有在每一个产品的规格书上标明ESR的值，但提供电阻阻抗随频率变化的曲线，并，这个曲线可以在官网得到。

陶瓷电容的ESR在毫Ω级别，钽电容在Ω级别，铝电解电容也在Ω级别，但比钽电容大。POSCap电容的容量大，体积大，但ESR也很低，在毫Ω级别。

额定功率损耗
电容在PCB板上，自然通风散热情况下允许的功率消耗，也即P_VR。交流信号在电容上消耗的能量，我们称之为功率损耗PV，假设漏电流是IL，纹波电流是Ir(均方根值)，纹波电压是Vr(均方根值)，工作电压是VW，则电容的功率损耗是：

要求P_V<P_VR。下图是KEMET钽电容不同封装尺寸对应的最大功率损耗要求：

 

 

KEMET的钽电容一般会提供120Hz，20℃时的DF指标。村田会提供DF随频率变化的曲线。

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：

电容器存储能量的公式

 

 

因此能量之比就是阻抗之比。

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。如下是不同材料的DF范围：