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电容器设计指导

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电容器设计指导
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电容器设计指导

作者： 日期： 2013.09.26
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思路
一、 电容概述
1.1电容的定义
1.2电容的特性
1.3电容的分类
1.4电容的容量
1.5电容的容量单位和耐压
1.6电容的标注方法和容量误差
二、铝电解电容
2.1 铝电解电容的构造
2.2 铝电解电容特性
2.2.1 电容值
2.2.2 ESR、ESL和DF（损耗因数）
2.2.3 漏电流
2.2.4 额定电压
2.2.5 纹波电流
2.2.6 寿命
2.3 铝电解电容优劣性总结
2.4 设计注意事项
三、钽电容
3.1 钽电容的构造
3.2 钽电解电容的特性
3.2.1 电容值
3.2.2 ESR、ESL和DF（损耗因数）
3.3 钽电容的三种失效模式
3.4 总结
3.5 设计注意事项
四、陶瓷电容
4.1 陶瓷电容的构造
4.2 电容量
4.2.1 NPO电容器
4.2.2 X7R电容器
4.2.3 Z5U电容器
4.2.4 Y5V电容器
4.3 ESR值
4.4 设计注意事项
五、三种电容差异性对比
六、其他电容
七、电容在电路中的作用
7.1 滤波电容
7.2 去耦（退耦）电容
7.3 旁路电容
7.4 去耦电容和旁路电容的区别

第一节 概述
电容器是十分常见的电子元件，在电路设计中处处可见电容器的应用。本文将对电容器做一个较为详尽的介绍，并提供一些设计建议以及注意事项，旨在提高读者对电容器及其使用事项的认识。
1.1 电容的定义
电容器就是一种存储电荷的容器，简称电容，由两个金属极，中间夹有绝缘介质构成，它是一种储能元件，一般用符号C来表示，在电路中用于滤波、耦合、隔直、旁路、调谐、能量转换和延时等。属于全球用量最大的电子元器件之一，基本可以说有电路的地方就会有电容，电容的基本物理构造如下图所示。

电容的容量公式： C=ε0*εr*Sd
其中，ε0绝对介电常数 ：8.85*10-12 ，εr为介质的介电常数，S为两个极板之间的有效表面积，D为介质的厚度。
注意电容的串并联和电阻的串并联的计算方式是不一样的，从以上表达式中可以看出，对于电容量分别为C1和C2的两个电容：
若其串联，相当于增加了两个电极板之间的距离，因此串联的总电容量将减少，最终的电容量为
C=C1C2C1+C2
若其并联，相当于增加了两个极板之间的有效表面积，因此并联的总电容量将增加，最终的电容量为
C=C1+C2
1.2 电容的特性
电容器是存储电场能量的储能元件：
C＝QU 或者U＝QC
其中，C：电容量（法）；Q：电量（库仑）；U：电容两端电压（伏特）
因为电容器极板上的电量Q不能突变，它需要一个过程（充电），由此可知，电容两端的电压不能突变，因此对于直流电，作用于电容器时，电容器经过充电过程后电容两端的电压就会和电源电压相等（实际上可以这样认为，理论上充电过程需要无限的时间）通过它的电流也就降至漏电流这就时电容可以用来隔直流的原理。而对于交流电，作用与电容器时，电容器一直处于充电、放电反复循环，所以电容始终都有电流流过，这就是电容通交流的原理。
由此可以总结出电容的两个最基本的性质：
1、电容两端的电压不能突变
2、通交流隔直流

1.3 电容器的分类
电容器种类繁多，人们常按电容器绝缘介质材料的不同来分类，如下图所示。电容器按其可调节性又可分为固定电容器、可变电容器，其中使用最多的是固定电容器。可变电容器常见的有空气介质电容器和塑料薄膜电容器。

图 1-1 电容器的分类
本文主要介绍常用的三种电容器：铝电解电容、钽电解电容，陶瓷电容。从其制造工艺、结构特点入手，进而分析其性能特点、并介绍其典型应用即注意事项。
1.4 电容的容量
电容容量表示能贮存电能的大小。电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，容抗与交流信号的频率和电容量有关，容抗XC=1/2πf c (f表示交流信号的频率，C表示电容容量)。
1.5 电容的容量单位和耐压
电容的基本单位是F（法），其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。由于单位F 的容量太大，所以我们看到的一般都是μF、nF、pF的单位。换算关系：1F＝1000000μF，1μF=1000nF=1000000pF。
每一个电容都有它的耐压值，用V表示。一般无极电容的标称耐压值比较高有：63V、100V、160V、250V、400V、600V、1000V等。有极电容的耐压相对比较低，一般标称耐压值有：4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、220V、400V等。
1.6 电容的标注方法和容量误差
电容的标注方法分为：直标法、色标法和数标法。对于体积比较大的电容，多采用直标法。如果是0.005，表示0.005uF=5nF。如果是5n，那就表示的是5nF。
数标法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是10的多少次方。如：102表示10x10x10 PF=1000PF，203表示20x10x10x10 PF。
色标法，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）。颜色代表的数值为：黑=0、棕=1、红=2、橙=3、黄=4、绿=5、蓝=6、紫=7、灰=8、白=9。
电容容量误差用符号F、G、J、K、L、M来表示，允许误差分别对应为±1%、±2%、±5%、±10%、±15%、±20%。

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第二节 铝电解电容
除了少数的固体铝电解电容外，通常所说的铝电容是在高纯铝箔经过电化学扩面刻蚀和阳极氧化形成电介质绝缘层后制成的液体电解质电容器，其绝缘介质厚度为几百埃到几千埃（埃=10-10m），是目前大量应用电容中容量和工作电压做得最高的极性电容器。
一般认为铝电容的可靠性不高，如低温性能不好、ESR较大、不适合于中高频场合、容易干涸造成使用寿命有限、难以片状化、插装引脚积累灰尘带静电并造成短路等等，但随着工艺水平的提高，在某些特定应用场合下，使用铝电解电容在性能上可以满足要求，而且成本和可靠性方面上还要优于其它电容，如在承受大的上电冲击电流的低阻抗电路中，铝电容比钽电容要可靠。单个铝电解电容可以做到很大的容值，同时耐压值也可以很高，这时的铝电解电容非常适合应用于高容值，低精度要求和低纹波要求的低频应用，如输入输出滤波，储能等应用。
2.1 铝电解电容的构造
铝电解电容的基本构造如下图所示：

图 2-1 铝电解电容构造
上图可见，铝电解电容主要部分是呈卷轴状的芯子，芯子被铝外壳包裹，并引出正负极引线。芯子的每一圈层又是由：阳极箔（高纯度的铝箔）、浸透电解质的分隔纸、阴极箔（高纯度的铝箔）组成。参考下图：

图 2-2 铝电解电容卷层结构（from Vishay）
如上图所示，光滑的铝箔上用腐烛的方式烛刻出许多微小的条形沟道。铝箔上会形成一层薄薄的氧化膜（Al2O3），而烛刻的微小沟道使得氧化膜的表面积大大增加。电容的实际阳极是阳极铝箔，而实际阴极则由阴极铝箔、隔离纸、电解质三项组合而成。电容的电介质为阳极铝箔上的氧化膜。
2.2 铝电解电容特性
2.2.1电容值
供应商给出的铝电解电标称容值测试条件：电容上加1.5V或者2.0V的直流偏置，再施加RMS值最大为0.5V的120HzAC信号进行测试。
DC直流下的容值可以利用恒流放电测量，根据C*V=I*t得到。一般DC下容值比AC测得的容值略高一些，而且DC电容温飘小于AC容值。
电容值（AC电容值）在不同应用环境下会有漂移，下面的几个图显示了铝电解电容值在不同频率、不同温度下的变化情况以及在电容应用生命周期中的变化。

图2-3 铝电解容值随频率的漂移（from NCC）
由上图可见铝电解电容值随着频率的升高会出现降低，这也是铝电解高频性能不佳的一个主要表现。

图 2-4 铝电解容值随温度的漂移（from Vishay）

图 2-5 铝电解容值随老化的漂移（from ELNA）
上述几幅图能让读者对铝电解电容值变化的典型情况有一个印象，应用中考虑到容值的变化特性有助于提高应用的稳定性。
2.2.2 ESR、ESL和DF（损耗因数）
铝电解的高频等效模型如下图所示，由电容，ESR，ESL以及等效并联电阻组成。（值得注意的是：ESR、ESL、C等参数均会随着应用条件变化而有所变化 ，但以下模型并没有考虑这些参数的漂移。）

图 2-6 电容的高频等效模型
根据以上等效模型，铝电解电容的阻抗可以表示为：
Z=ESR2+（XL+Xc）2Xc=1C*ωXL=ESL*ω

举例一个铝电解电容的各项参数：
C
47uF
r
1MΩ
ESR
0.6Ω
ESL
100nH
根据上述计算公式，可以得到该电容阻抗在频域内变化的曲线：

图 2-7 电解电容阻抗曲线
可见在10KHz以下，电容阻抗随频率上升而下降，器件呈容抗特性。而在1MHZ以上阻抗随频率而上升，呈感抗特性。说明铝电解电容在高频上等效为一个电感，而非电容，所以高频应用中应慎用铝电解电容。

将电容的阻抗可以表示为矢量的形式，见下图电容器阻抗矢量图：

图 2-8 电容器的阻抗矢量图

损耗因数DF（有时也表示为tanδ）定义为：等效串联电阻ESR与电容形成的阻抗（Xc）的百分比。
tanδ=RXc=ω*C*R
DF=tanδ*100（%）
显而易见，因为电容阻抗随着频率而变化，功率因数将随着频率而变化，见下图举例：

图 3 阻抗、ESR频域曲线（from NICHICON）

图 2-10 tanδ频域曲线（from NICHICON）
通用铝电解电容，其ESR值一般在几十毫欧～2.5 欧(100kHz/25℃）。从业界资料上了解到通用铝电解电容的ESR范围在10mΩ～10Ω。对于Low ESR铝电解电容，其ESR值在手册中有给出，一般几十mΩ（100kHz/20℃）。
铝电容内部结构参数及与ESR的关系，ESR值由三个部分所组成，即：
1） 氧化膜介质损耗所代表的等效串联电阻（r介）
2 ) 电解质所代表的等效串联电阻（r解）
3） 板极欧姆电阻、导电层的欧姆电阻，以及其间的接触电阻（r金 ）
ESR＝r介＋r解＋r金＝tanδwC
这里的 tanδ，即电容器的损耗角正切值或损耗因子(Dissipation Factor)DF，电解电容用于脉动电路时，衡量其交流特性的参数指标用电容量及tanδ，有时则用阻抗和ESR，一般来说，厂家喜欢用 tanδ 指标，因为其便于考核产品的质量；而对于应用来说，ESR则更为容易理解。如果工艺上不出差错而且工作频率较低时，r金是可以忽略掉的（当工作频率较高时，出现趋肤效应，这时r金影响就较大）；另外，氧化膜介质的 tanδ介值在电解电容器的工作频率范围内，可近似地认为是一个常值，与频率无关，所以最后可以简化为tanδ= tanδ介＋w·C·r解+ tanδ金。
另外还有一个特性需要注意：ESR值在低频段时随着f 的增大而减小，并最终趋于一个较稳定的值；ESR值随着温度的变化而变化，一般从25℃到高温极限，ESR会下降大约35％～50％；而从25℃到低温极限，ESR会增大10到100倍。下面举例一个供应商给出的曲线：

图 2-11 ESR随温度的变化（from Vishay）
2.2.3 漏电流
DC漏电流是指在给定的额定电压下流过电容的直流电流值。漏电流的值依赖于给定的电压,电容的温度。下图显示了漏电流与温度的关系：

图 4 漏电流与温度（from NICHICON）
电容器的介质对直流电具有很大的阻碍作用。 由于铝氧化膜介质上浸有电解液,在施加电压时,重新形成以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流, 刚施加电压时,漏电流较大,随着时间的延长,漏电流会逐渐减小并最终保持稳定。

图 2-13 电容漏电流与时间（from Vishay）
电容器容量愈高,漏电流就愈大. 降低工作电压可降低漏电流. 选用更高耐压的品种也会有助于减小漏电流. 相同条件下优先选取高耐压品种的确是一个简便可行的好方法，当然这会带来成本的提高。

2.2.4 额定电压
铝电解电容对电压十分敏感，过压和反压都很容易造成器件的损坏。当铝电解电容上施加高于额定电压值的电压时，漏电流会随电压而迅速升高，甚至会导致电容体积膨胀，破裂等损坏。
为了保证铝电解电容的使用寿命，一般应用时电压不超过额定电压的90%，在高温应用条件时最好不超过60%。
2.2.5 纹波电流
铝电解电容规格书中一般会规定可允许的最大纹波电流值，值得注意的是规格书中一般给出的是有效值而不是峰峰值。
最大允许纹波电流值取决于环境温度、电容的有效面积、损耗因数tanδ（或者说ESR）、纹波电流的频率。铝电解工作时环境温度及自身发热对电容的寿命起到决定性的影响，而由于纹波电流引起的自身发热对此起着重要的影响。可想而之，在环境温度很高时，可允许的纹波电流值会变得更小。关于纹波电流对寿命的影响，将在后面关于寿命的章节有更详细的介绍。
2.2.6 寿命
在供应商提供的规格书中可以找到应用于最高环境温度时的电容寿命Lb（如 3000h@125ºC），由以下公式可以推断在一般应用温度下的寿命。
Lr=Lb*2Tmax-Ta10 当Ta小于40 ºC时，一般用40 ºC来计算。
其中： Lb ：最高环境温度时的寿命Tmax：允许的最高环境温度Ta ：实际应用的环境温度
在上一节中提到纹波电流对寿命有着重要的影响，这是由于纹波会导致电容自身发热，而温度会直接影响电容寿命。纹波的影响可以用以下公式表示。
L=Lr*K{1-（IIo）2}∆T10 当I=Io时L=Lr，
其中： Lr ：实际应用温度下直流电压小的寿命 K :纹波调整因数：纹波电流未超限制时，K=2；否则K=4I ：实际应用时的纹波电流
Io ：最高环境温度是的最大允许纹波 ∆T ：由于纹波电流导致的自身发热温度

由于寿命对温度的敏感性，放置铝电解电容时必须远离热源。
2.3 铝电解电容优劣性总结
优
劣
应用
十分通用，可选容值范围广
存在极性，无法应用于交流信号
储能电容
容值可以很高而且低成本
精度不过，容值受老化影响大
电源整流、滤波
可以做到很高耐压值
高频性能差 体积大
低频滤波（音频）
铝电解电容的可靠应用主要是关注温度，因为铝电容的电解质为液态，芯子发热将导致电解液挥发，长期下去最终干涸失效。
铝电容内部芯子的温升主要是由于ESR、Rp电阻的损耗发热导致（有些资料将Rp变换看成是ESR的一部分），相对来说，Rp的损耗远小于ESR的损耗，因此可忽略Rp而主要考虑ESR的影响。当电容应用在脉冲交流电路中时，如工频的整流平滑滤波、开关电源输入输出滤波等，纹波电流流经ESR产生的损耗发热将严重影响了器件的使用寿命，因为器件内部温度的上升，工作电解液蒸发量增加，使电容容量减小， δ tg 增大，长期下去导致电容干涸失效。因此器件手册给出的纹波电流值实际是由ESR决定的，ESR大，必然允许纹波电流要小。一般，电解液损失40％时，容量下降20％；损失90％，容量下降40％，此时，芯子已基本干涸，不能再使用了。从实际应用情况看，挥发干涸只是对在高温场合下运行的小体积（小容量，<10uF）铝电容（电解液少）有影响（在大于75℃的高温场合，应尽量少用小尺寸的铝电解电容），而对于一般的大容量铝电解电容，在大多数应用场合下，在10～20年的时间内都不会发生干涸失效（大多数应用场合指：纹波电流不超过额定值时，芯子温度不高过环境温度5℃；环境温度在45℃～55℃。
此外仍需注意高温及纹波电流过大或ESR过大造成内部芯子温升的情况）。由于铝电容ESR和ESL都较大，在运用不当时，将会对电路功能可靠性造成影响，纹波电流流过ESR和ESL而产生大的纹波电压。此外，由于铝电容尺寸较大，在安装、运输过程中，需要注意不要碰、挤压、扎伤电容。
铝电容的阻抗频率幅度曲线，在低频由wc-1确定，由于电解电容容量可以做得比较大，因此铝电容广泛应用于低频滤波场合；在数十千赫到数百千赫下，则由ESR确定，由于铝电解电容的ESR较大，其阻抗频率幅度特性曲线一般为U形，而不像瓷片电容由于ESR小，在谐振频率点处会有一个明显的下尖而呈现的V形；而在兆赫下，由 L·ω 确定，普通的铝电容其ESL是较大的，这大大限制了在高频下的应用。因此ESR值较高和ESL较大限制了铝电解电容在高频场合下的应用。
铝电解电容作为滤波使用时，其容量不宜选取较小，一方面容量过小，其高温下寿命较短；另外，电解电容的大容量特性没有发挥出来；从与其他电容特性比较，注意温度、频率对电容容量的影响，以及所使用场合的工作电压、安装工艺要求等来选择，但作为滤波使用的话，其容量要求不严格，尽量要求大，这样可以减小ESR。由于ESL较大的限制以及容量上的考虑，铝电容的使用频率上限不可能很高，一般认为在200kHz以上就不宜使用了。目前大多数电源模块开关频率都在几百kHz以上，因此，铝电容不适宜用于高频开关电源的输出滤波使用。
铝电容的可靠应用主要关注温度，但从实际应用情况看，挥发干涸只是对在高温场合下运行的小体积（小容量）铝电容（电解液少）有影响（在大于75℃的高温场合，应尽量少用小尺寸的铝电解电容），而对于一般的大容量铝电解电容，在大多数应用场合下（除了ESR，纹波电流过大造成温升过高，或环境温度过高），在10～20年的时间内都不会发生干涸失效。
2.4 设计注意事项
1、对应使用的铝电解电容要计算其使用寿命
2、注意铝电解电容上不要出现超过1V的反向电压
3、为了保证铝电解电容的使用寿命，一般应用时电压不超过额定电压的90%，在高温应用条件时最好不超过60%
4、设计的使用要把电容的精度、容量容量偏差、温度因素等做最坏的情况考虑进去
5、在温度比较高的时候要考虑电容的漏电流
6、在低温的时候要考虑ESR对电路的影响
7、当铝电解电容用在电源电路中时，特别对于几个电容的并联和用大电容时要考虑初始的充电电流不可过大
8、对于插件铝电解电容，在PCB上放置时要注意放置的位置，固定方式，其周围不能有尖锐的器件，以防将电容表面塑料刮破导致短路
9、由于寿命对温度的敏感性，放置铝电解电容时必须远离热源。

第三节 钽电容
钽电容是一种性能相当优越的电解电容，可以实现小体积而大容值，可以做成小型的片状封装，适应电子业小型化和安装自动化的要求。因此应用广泛，但是价格较高。
3.1 钽电容的构造
固体钽电容是将钽粉压制成型后，经过高温真空烧结成一个多空的坚实芯块，芯块经过阳极化处理在表面生成氧化膜，再被覆固体电解质，然后覆上一层石墨及铅锡涂层，最后用树脂包封形成固体电容。见下图钽电容结构示意图：

图 3-1 钽电容结构图
钽电容阳极体由钽粉烧结而成，钽粉的质量将直接影响钽电容的性能。钽粉越大，额定电压越高；但是钽粉越小，烧结后的海绵状表面积越大，电容值就越大。

图 3-2 钽粉大小与容值及耐压值的关系
目前，贴片固体钽电容的阳极基体一般采用钽粉烧结而成，因此钽粉的的质量如何，将会直接影响钽电容的性能。一般需要关注钽粉的粒形、大小、配比、比表面积、比容、松装密度及纯度。采用高纯度的钽粉可用于制造工作电压高（如采用C系、D系或SHR型A系高纯钽粉）的钽电容或者可靠性高的钽电容，因为钽电容氧化膜质量的好坏，主要取决于钽粉杂质的多少，当钽中含有杂质时，它们都会成为阳极氧化膜中的疵点，影响漏电流的大小、闪火电压下降，电流集中流过杂质存在的部位时，伴有发热，致使杂质周围的Ta2O5膜晶化，致使钽电容寿命下降。采用高比容的钽粉，则减少了钽粉的用量，减小了体积，降低成本。钽粉颗粒越大，额定电压越高；钽粉颗粒越小，钽粉烧结后的海绵状表面积越大，电容容量越大。（钽粉颗粒的典型尺寸10um，为增大表面积选有珊瑚虫形状）；钽粉量的多少与形成电压和额定电压的比值有关（该比值一般为3.5～5）。钽粉的选择需要在电容量、额定电压及ESR之间均衡考虑。阳极基体的尺寸一般为圆柱形，受外壳尺寸限制，直径一般是确定的，而基体长度与直径之比接近于2，最多不超过2.5。
3.2 钽电解电容的特性
3.2.1 电容值
可以说钽电容时目前大量供应的电容中，比容值最大的一个电容品种。相同容量的电容器体积可以做得比较小，但由于材料和烧结工艺的原因，耐压值不能做到很高。
此外，容量的值随着频率的增大而减小，另外由于为固体MnO2电解质，所以一其容量温度特性较稳定，甚至低温至-200℃时，其容量才减小不过10%。在滤波应用时，温度对钽电容的性能影响可以忽
略。

图 3-3 电容值与温度（from AVX）
电容值随温度的变化率，在一定程度上依赖于钽电解电容额定电压和容量的大小。从上面的温度曲线上可以看出在工作温度范围内，钽电容的容量会随着温度的上升而上升。需要特别说明的是，并不是所有钽电容规格的温度曲线图都如上图所示，不同钽电容封装、不同系列、不同电压、不同容量都会有所不同，只是总的这个趋势不会发生变化。
钽电容的容值随着频率升高会出现减小，直到达到共振频率点（通常视0.5 - 5MHz的之间）。下图举例一颗AXV钽电容容值的频率变化特性：

图 3-4 容值与频率（from AXV）

3.2.2 ESR、ESL和DF（损耗因数）
钽电容的高频等效模型与铝电解电容一致，只是各个参数由一定的区别而已。

图 3-5 电容的高频等效模型
从供应商的规格书中一般可以查找到25ºC下100KHz时的ESR值，而ESR随着频率变化存在漂移，举例如下：

图3-6 钽电容ESR与频率（from AXV）
从上一小节的工艺结构和加工环节介绍，可以看到，钽电容的ESR组成与铝电容类似，同样可分为：
ESR＝r介＋r解＋r金＝tanδwC，对于漏电流电阻rL ，它在频率极低的情况才有一定的影响。
用损耗因数DF来表示，即
DF＝ tanδ= tanδ介＋w·C·r解+ tanδ金（ tanδ介是一个几乎于频率无关的量）从损耗因数角度来看，如下面图3-7：

图3-7：损耗因数vs频率
在极低频为漏电流代表的损耗，可通过阻抗转换公式换成串联的表示形式，其影响一般不考虑。在低频的区域，可以看到，氧化膜介质损耗D3基本不变，反映到r介上，即随着频率的增大，r介减小，直到到达较高的频率，其影响已基本可忽略，而主要是r解与r金的影响。在低频的区域，主要是r介，其随着频率的关系，如下面图3-8所示：

图3-8 ESR vs 频率
在较高频率段时，r介的值降到比r解还要小时，这时主要是r解主要影响ESR，r解从低频一直较稳定，但直到10kHz左右，有个转折点，随着频率增大而减小，如下面图3-9右:

图3-9 r解vs 频率
在工艺保证下，r金一般可不考虑，但到高频后，其值会由于趋肤效应而增大。下面图3-10为一个全频率范围内钽电容ESR的变化图：

图3-10：ESR vs 频率
总体而已，钽电容的ESR是很下的，而且温度特性比较好，
3.3 钽电容的三种失效模式
钽电容有三种失效模式：电流型、电压型和发热型。
电流型失效常见于固体钽的异常漏电流巨大，一方面表明其氧化膜上的缺陷部分恶化，引起介质的漏导增大，最后导致介质短路，大多数情形下，自愈特性会修复这些疵点，但如处于充放电过于频繁的场合，这种介质瞬时击穿也会弄得不可收拾导致突然失效。因此，电压一定时，串联电阻可以显著减小失效。
电压型失效是指使用中的不当导致工作电压或浪涌电压突然过高，结果引起局部闪火，终致介质击穿；另外是长期经受高的工作电压，而氧化膜不可避免地存在着杂质或其它缺陷；当这些部位的场强较高，电流密度较大，导致局部高温点出现，从而留下了诱发热致晶化的隐患。在金属氧化物界面的某些点上，由于金属里含有杂质，也成了诱发场致晶化成核的因素，当温度升高时，便促进了晶核的形成和生长。因为晶体要达到一定大小后，才会使无定形氧化膜破裂，所以晶体生长的快慢是决定电容器寿命的一个因素，试验表明，使晶体生长到足以引起氧化膜破裂临界尺寸的时间是场强的指数函数。随着施加电压增加（即场强提高）和环境温度的提高（相应的缺陷部位温度更高），电容器的失效率也就增加，在晶体生长阶段，对电容器性能并没有显著影响，只在氧化膜破裂时，绝缘会完全丧失，导致突然失效。
发热型失效一般认为是由于产品的 tanδ太大导致热不平衡，热量累积以致热破坏，但随着高频化，趋肤效应，是另一种热失效模式。对固体钽电容承受大的冲击电流对产品性能的影响研究中，例如应用在计算机电源里作为去耦元件以及开关电源的输出滤波元件时，所遇到的瞬时高频大电流的冲击，分析其失效原因发现MnO2层及银层部分，已破裂脱开钽块，由于局部热点的低阻和较差的热导接触，发生局部高温，最后造成介质的热击穿，按照传输线理论，电容器钽块可视为一RC组成单元，在高频时（例如脉冲的前沿部分），电流只在钽块表面通过，而未及内部，因此电量集中在表面，电流密度很大。未能均匀分布在钽块全部，所以表面成为电量集中区域，而主要集中在钽块的一小部分面积上，如钽块的上下肩部，一方面该处曲率很大，不利于导热和散热；另一方面，肩部的MnO2层较薄，电阻小，因此冲击电流失效的击穿是源于发热，成为发热型失效的典型。
这几种失效模式最终都会造成钽电容短路烧毁，失效分析很难判断是那种类型导致。一般说来，钽电容在正常运行时（电压降额足够）是很少发生失效的，只有在上下电、电源波动及频繁充放电场合才有可能失效（即在脉冲电流冲击下），究其原因也是因为，钽电容的内部结构缺陷导致。因此，相对于铝电容关注工作温度因素，钽电容更为关注施加的工作电压大小和速率。
3.4 总结
1、同种容值的钽电容的ESR相对要比铝电容要小，但其优势为作为表贴元件，安装方便以及ESL较小，这也使得其应用频率较铝电容要宽。从钽电容的ESL和C的分布范围，可以推算谐振频率从0.9MHz（Lmax＝3nH；Cmax＝1mF）到5MHz（Lmin＝1nH；Cmin＝1uF ），但从阻抗频率特性曲线看，由于ESR也是相对较大，因此也是呈现“U”型，这使得其应用频率范围进一步扩宽（在满足目标阻抗的条件下），最高可以达到10到几十MHz。
2、相对于铝电容关注工作温度因素，钽电容更为关注施加的工作电压大小和电压变化速率。
3、 滤波应用时，温度对钽电容的性能影响可以忽略。
3.4 设计注意事项
1、要确保最大的浪涌电流和灌入电流不要超过1A，因此钽电容不能用在没有电流限制的电源线上
2、钽电容上面的纹波电流不可超过300mA
3、注意钽电容上什么时候都不能出现负压
4、钽电容的直流电压不能超过其耐压值的如下比例：
＜75% 当Tmax=25℃
＜50% 当Tmax=85℃
＜33% 当Tmax=125℃
＜25% 当Tmax=150℃
5、由于钽电容中的漏电流是随机的，因此钽电容尽量不要用在低噪声应用电路中，且要计算出其漏电流的最大值会不会对电路功能有影响。

第四节 瓷片电容
瓷片电容已经成为主流、通用的电容，尤其是SMT片状类型，由于成本低，显得特别有吸引力。随着介质层的变薄以及多层结构，现在瓷片电容已经可以做到额定电压小于10v，容量达到几百uF的大电容。独石电容器是瓷介电容器的一个变种，把印刷好电极的瓷介薄片交替叠合烧结成整体，然后剪成小块引出电极而制成。它相当于多个小瓷介电容并联，因此体积小，在计算机系统、手持无线电仪器中代替瓷介电容使用很方便。我国以前不能生产瓷介独石电容，近年来通过引进已可以自己生产，由于工艺比瓷介电容稍复杂，因此成本稍高，可靠性稍差。国外有时在体积要求不严格时也使用独石电容，我们可考虑用普通瓷介电容代替之。
4．1 陶瓷电容的构造
单片陶瓷电容器(通称贴片电容)是目前用量比较大的常用元件，就AVX公司生产的贴片电容来讲有NPO、X7R、Z5U、Y5V等不同的规格，不同的规格有不同的用途。下面我们仅就常用的NPO、X7R、Z5U和Y5V来介绍一下它们的性能和应用以及采购中应注意的订货事项以引起大家的注意。不同的公司对于上述不同性能的电容器可能有不同的命名方法，这里我们引用的是AVX公司的命名方法，其他公司的产品请参照该公司的产品手册，命名方法可到AVX网站上找到。 NPO、X7R、Z5U和Y5V的主要区别是它们的填充介质不同。在相同的体积下由于填充介质不同所组成的电容器的容量就不同，随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。所以在使用电容器时应根据电容器在电路中作用不同来选用不同的电容器。
如下面图4-1的瓷片电容的结构，内电极导体一般为Ag或AgPd，陶瓷介质一般为BaTiO3，多层陶瓷结构通过高温烧结而成，简称为MLCC。器件端头镀层（外电极）一般为烧结Ag/AgPd，然后制备一层Ni阻挡层(以阻挡内部Ag/AgPd材料，防止其和外部Sn发生反应)，再在Ni层上制备Sn或SnPb层用以焊接。近年来，也出现了端头使用Cu的MLCC产品。

图4-1：陶瓷电容的结构图
4.2 电容量
电容的温度与容量误差编码表如下：

瓷片电容根据其采用的介质和温度表现可分为几种类型。
4.2.1 NPO（COG）电容器
NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃，电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。NPO电容的漂移或滞后小于±0.05%，相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。NPO电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同，大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。适用于低容量、稳定性要求高的场合，例如振荡器、谐振器的槽路电容，以及高频电路中的耦合电容，其电性能最稳定，基本上不随温度、电压与时间的改变而改变。表1给出了NPO电容器可选取的容量范围。
表1 NPO电容器可选取的容量范围
封装
DC=50V
DC=100V
0805
0.5~1000pF
0.5~820pF
1206
0.5~1200pF
0.5~1800pF
1210
560~5600pF
560~2700pF
2225
1000pF~0.033μF
1000pF~0.018μF

4.2.2 X7R电容器
其电介质常数较大，相同体积的容量要比第一类要大20～70倍，X7R电容器被称为温度稳定型的陶瓷电容器。当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15%，需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。
X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的，它也随时间的变化而变化，大约每10年变化1%ΔC，表现为10年变化了约5%。
X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用，而且当电压变化时其容量变化是可以接受的条件下。它的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大，适用于隔直、耦合、旁路与对容量稳定性要求不太高的鉴频电路，表2给出了X7R电容器可选取的容量范围。
表2 X7R电容器可选取的容量范围
封装
DC=50V
DC=100V
0805
330pF~0.056μF
330pF~0.012μF
1206
1000pF~0.15μF
1000pF~0.047μF
1210
1000pF~0.22μF
1000pF~0.1μF
2225
0.01μF ~1μF
0.01μF ~0.56μF
4.2.3 Z5U电容器
其电介常数较高，常用与生产比容较大的、标称容量较高的大容量电容器产品，但其容量稳定性较X7R差；其容量可以做到第二类的5倍，然而容量、损耗对温度、电压等较为敏感，稳定性很差，当温度从-25℃到85℃变化时，容量变化为＋20％到-65％。这里首先需要考虑的是使用温度范围，对于Z5U电容器主要的是它的小尺寸和低成本。对于上述三种陶瓷 单片电容起来说在相同的体积下Z5U电容器有最大的电容量。但它的电容量受环境和工作条件影响较大，它的老化率最大可达每10年下降5%。
尽管它的容量不稳定，由于它具有小体积、等效串联电感（ESL）和等效串联电阻（ESR）低、良好的频率响应，使其具有广泛的应用范围。尤其是在退耦电路的应用中，表3给出了Z5U电容器的取值范围。

表3 Z5U电容器可选取的容量范围
封装
DC=25V
DC=50V
0805
0.01μF ~0.39μF
0.01μF ~0.1μF
1206
0.01μF ~1μF
0.01μF ~0.33μF
1210
0.01μF ~1.5μF
0.01μF ~0.47μF
2225
0.68μF ~2.2μF
0.68μF ~1.5μF

Z5U电容器的其他技术指标如下：
工作温度范围 +10℃ --- +85℃
温度特性 +22% ---- -56%
介质损耗最大 4% 
4.2.4 Y5V电容器
Y5V电容器是一种有一定温度限制的通用电容器，在-30℃到85℃范围内其容量变化可达+22%到-82%。
Y5V的高介电常数允许在较小的物理尺寸下制造出高达4.7μF电容器。
Y5V电容器的取值范围如表4所示。
表4 Y5V电容器可选取的容量范围
封装
DC=25V
DC=50V
0805
0.01μF ~0.12μF
0.01μF ~0.1μF
1206
0.01μF ~0.33μF
0.01μF ~0.27μF
1210
0.01μF ~0.68μF
0.01μF ~0.47μF
2225
0.01μF ~1μF
0.01μF ~1μF

Y5V电容器的其他技术指标如下：
工作温度范围-30℃ --- +85℃
温度特性 +22% ---- -82%
介质损耗最大5% 

4.3 ESR值
在片式多层元器件类型中，ESR（Res）主要由介质层电阻、内电极层电阻、各接触面电阻和端电极电阻等四个方面组成；其中各接触面电阻包括端电极与内电极的接触，不同的端电极电镀层间的接触等；Res对频率是较为敏感的，并