电容选型应用中的可靠性问题

电容选型应用中的可靠性问题

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一、电容的定义

电容器所带电量Q与电容器两极间的电压U的比值，叫电容器的电容。在电路学里，给定电势差，电容器储存电荷的能力，称为电容（capacitance），标记为C。采用国际单位制，电容的单位是法拉（farad），标记为F。

二、电容的分类

1、电解电容：以铝箔或钽金属为正极，以涂有氧化物的铝板或粉末为负极，中间的电介质是电解质。电解电容有极性，必须注意正负极性。应用于大容量、大电压、低频和直流工作。

2、陶瓷电容：以陶瓷为电介质，以银或铜为电极，制造成小体积、大容量、高频率的电容器。

3、薄膜电容：利用金属薄膜在电介质表面上形成电极，电介质材料选择广泛，可以制造高精度、高稳定性、高频率的电容器。

4、钽电容：钽电容全称是钽电解电容，也属于电解电容的一种，使用金属钽做介质，钽电容的性能优异，是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品。

5、变容器：由可旋转的定子和摆动的转子组成，通过转子的位置变化，使定子上的电极与转子上的电极相接触或离开而产生不同的容量。

6、双层电容：利用电荷在电介质表面附着或离开的现象，存储电荷能量，其特点是能快速充放电，但容量较小。

7、金属化聚酯薄膜电容：以金属化聚酯薄膜为介质，制成的具有较高的频率特性和稳定性的电容器。

8、有机电容：以导电有机材料制成电容器，具有小体积、大容量、高频率特性的优点。

三、电容的应用环境

1、旁路：

旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好的防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地电位是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。

2、去耦：

去耦，又称解耦。电容在电路中的去耦（bypass）作用是消除直流信号的干扰，使交流信号能够顺畅地通过电路。直流信号会引起许多问题，如使电路失去工作点（偏置点），引起不稳定性，降低放大倍数等。电容通过在电路中放置一个电容器，将直流信号从电路中抽离，只让交流信号通过，从而去除或减小直流信号对电路的影响。这样可以提高电路的稳定性、增大放大倍数和避免噪声的影响。在放大器输出端设置去耦电容，可以避免输出直流偏差，改善音质和频率响应。在电源滤波电路中，也可以使用电容来去耦，减小电源中的纹波。

3、滤波：

从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。利用电容器在电路中储存和释放电能的特性，来改变电路中不同频率下的信号传输和响应。因为电容器可以通过其储能和释能过程来对电流进行平滑化处理，从而有效地去除运载噪声以及高频干扰。具体地说，当直流电压通过带有电容的电路时，电容会阻止直流电流通过，同时允许交流电流通过，从而过滤掉了直流分量。反之，当交流电压经过带有足够大的电容的电路时，电容器阻碍了交流电流通过，从而过滤掉了高频分量。这就是电容的滤波作用。在实际电路中，电容的滤波作用广泛应用于各种信号滤波、电源滤波、音频信号处理等方面。

4、储能：

储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。当电容器通过电源充电时，电荷会聚集在两个导体板之间并产生电场，从而在电容器内部存储电能。在电容器被放电时，它会释放这些储存的电荷，并将电能返回到电路中。因此，电容在电路中具有储能的作用。

四、电容的主要参数

1、击穿电压和额定直流工作电压：

电容器两端的电压升高到一定值时，两极板之间的绝缘介质会被击穿而导电，这个电压值称为电容器的击穿电压。电容器能够长时间正常工作所加的最高直流电压，称为电容器的额定直流工作电压，它比击穿电压小。电容器用在交流电路中时，加在它两端的交流电压的最大值应小于等于额定直流工作电压。

2、 漏电流：

在理想的情况下，当电容器通直流电压时，电容两个极板间是不能够有电流流通的。实际上，对电容器施加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。

3、绝缘电阻：

绝缘电阻是对电容器施加的直流电压和流经电容器的漏电流之比。

4、 品质因数：

品质因数Q，指的是每一周期内电路元件存储能量的能力和它耗散的能量的比值。

5、耗散系数：

耗散系数等同于电容器的品质因数Q值的倒数。

6、介电吸收：

电容器的介电吸收效应可以用剩余电压和充电电压的百分比来表示。确定这个百分比的方法是：在一个规定的时间间隔内将电容器充电至某一额定电压，然后在第二个时间间隔内使电容器放电。最后将电容器开路，并且在第三个时间间隔之后测量电容器上的剩余电压。

7、温度系数：

温度的变化会引起电容器容量微小的变化，常用温度系数来表示这种变化的程度。

8、等效串联：

电阻（ESR）理想的电容自身不会有任何能量损失，但实际上，由于制造电容的材料有电阻，因此电容器会产生损耗，这可以等效地表示为一个单一的电阻与电容串联。当流过交流大电流时，大的等效串联电阻会使电容器消耗更多的功率。

9、等效串联电感（ESL）：

电容器的等效串联电感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。

10、纹波电流：

纹波电流是流过电容的交流电流。由于电容中存在ESR，因此纹波电流会产生热量以影响电容寿命和功能。过多的热量可能会导致超过电容的最大允许核心温度，从而损坏电容。

五、电容的优缺点介绍

主要介绍常用的三种电容：

1、电解电容

优点：高容值，低成本 高额定电压

缺点：不适合用于高温场合

失效表现：失效的主要表现形式是断路

不适合使用的场景及原因：

1、存在交流能力的场合（有极性）

2、需要承受极限低温，电容作为滤波方式工作（温度越低 ESR越大）

3、需要承受机械冲击的场合（贴片铝电解电容抗振荡能力差，容易掉）

4、噪声以高频段为主的场合（ESL大，噪声频带在20K左右）

5、元器件库存积压太久（电解液会挥发）

2、陶瓷电容

优点：没极性，低成本。

缺点：精密容值配合（容值不稳地），随温度和电压的变化而变化（大幅度），容值与电压的关系非常大

失效表现：失效表现为短路

不适合使用的场景及原因：

1、需要精密容值的场合（因为容值会随着两端的电压变化而变化，容值随温度变化而 变化）

2、电源入口需要高容值电容场合（1成本问题，2 ESR的问题，冲击电流大）

3、对微弱能量极端敏感的场合（内部特殊材料钛酸钡，会产生压电效应）

4、需要ESR零点保证电源稳定的场合（ESR小，且与容值成反比）

5、有长线缆供电的设备的电源入口（品质因数，谐振峰，ESR）

6、PCB存在变形的场合（机械性能不行，华为手机PCB大于0805不用，其他板子大于 1210不用）市面上有柔性端子的电容，可解决机械应力和压电效应的问题

7、对压电效应导致啸叫敏感的产品（压电效应）

8、高可靠性产品（容值不稳定）

3、钽电容

优点：容值稳定，抗机械性能好

缺点：有极性，价格贵，货期差，失效产生电火花

不适合使用的场景及原因：

1、对成本敏感（金属钽贵）

2、对火花敏感（钽电容爆炸会产生火花）

3、供货紧急的产品（钽不易获取，货期紧张）

4、容易产生冲击电流和冲击电压的场合

5、交流场合（有极性）

六、电容的案列分析

案列1、陶瓷电容机械性能不好的案列分析

事故现象：

某款PCB在设计之初没有考虑到陶瓷电容的机械应力差，失效形式为短路的特性，在设计时将陶瓷电容挨着板边放置，这款产品在出厂2年后大批量出现短路烧坏的情况。

原因分析：

陶瓷电容机械应力差，放在板边，分板时导致陶瓷外壳损坏，空气中的水等物质侵入低容内部，腐蚀电材料，最后导致短路。由于这个过程比较缓慢，测试过程中不容易发现这个问题，所以大批量之后，问题爆发才会发现这个问题。