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電容器的選型要點有哪些?

2023-02-12科學

電容選型關註的參數眾多,工程師選型時經常有一些疑惑。本著方便好用的原則,關註相關基本的特性參數,保證產品質素和降低物料成本。

1.容量

為什麽要考慮容量問題

電容量表示在電容兩極施加電壓,依賴電荷的相互作用力把電荷儲存多少的一個量值,本質就是充電與放電。容量的大小用C表示。

C:電容量,單位F;

Q:電容兩極板上儲存電荷量,單位C;

U:電容兩極板上施加電壓差,單位V;

S:兩極板相對面積,單位m2;

d:兩極板距離,單位m;

ε:兩極板間介電常數;

k:靜電常數

電容量大小由兩極板面積(S)、兩極板間距(d)、兩極板間介電常數(ε)決定。

常用電容量範圍0.5pF~4700uF,面對這麽多種類容量的電容,可根據電容不同性質套用在不同的場景,如濾波電容、去耦電容、儲能電容、調諧電容等。不同的套用場景,電容有不同的用途,實際需根據使用情況、電容特性、成本等因素去選擇。

2.允許誤差

誤差大小對套用有什麽影響

電容容量實際很難做到理想電容值,電容量誤差是指實際容量與標稱容量間的偏差。根據國家標準(GB /T 2691-2006)規定,電容的標稱容量允許誤差用文字元號表示。但小於10pF電容不用百分比表示誤差,一般用容值作為單位表示誤差。

由圖可知,同一類別電容誤差廠家會有不同精度的選擇。常用誤差只要能達到J級、K級、M級,誤差要求過高過低都不好,只能是針對使用背景折衷考慮,容差過大,能降低物料成本,但產品質素與可靠性等可能難以到達設計要求;容差過小,產品質素得到滿足,制造物料成本增加,無形中增加產品成本。

3.額定電壓

為什麽有額定電壓,有什麽作用

額定電壓指在環境溫度範圍內可連續施加在電容上最高直流電壓有效值。如果工作電壓超過電容額定電壓,電容將被擊穿,造成永久性損壞。對於陶瓷電容有另外一個特性直流偏壓特性,施加直流電壓,其靜電容有時會不同與標稱值。

1uF-16V-X7R電容直流偏壓特性

如圖所示,直流偏壓越接近額定電壓處,電容量下降的越快。額定電壓值越高的電容,其物料成本也會快速的上漲,為了平衡成本和效能之間的矛盾,設計中根據實際套用采用不同等級降額設計。

4.阻抗頻率

頻率變化會產生有什麽現象出現,等效電阻ESR和等效電感ESL

電容作為基本元器件,生產工藝制造出來都不是理想電容,都會有寄生參數存在,如圖所示模型:

根據電容等效模型,可推導電容復阻抗公式:

R表示電容絕緣電阻,實際上絕緣電阻無窮大,R遠大於電容阻抗Rc,電容等效公式簡化:

這個公式很熟悉,RLC諧振電路推導公式,當頻率比較低時,容抗遠大於感抗,電容阻抗主要呈容性;當頻率比較高時,電容阻抗主要呈感性。隨著頻率的增加,發生諧振,即容抗等於感抗時,阻抗達到最小值,此時濾波效果最好。

由圖所示,不同容值電容發生諧振時的頻率是不同,在使用電容時,根據諧振頻率來套用在不同場景上。

5.溫度

溫度變化對電容產生那些影響

電容類別可根據不同電介質分為Ⅰ類電容和Ⅱ類電容,不同類別的電容工作溫度範圍是不同的,容值也會隨著溫度的在波動。

Ⅰ類電容溫度引起的容量變化小,但是因電容率低電容量較低,常用於溫度補償、高頻電路等方向;II類電容因電容率高,容量可以做較大,但溫度引起容量變化大,常用於去耦電路、耦合電路等方向。電路設計過程中要結合產品使用環境即溫度範圍,考慮不同電容的溫度系數,按照使用場景選擇符合要求的電容。

6.封裝尺寸

為什麽要考慮封裝尺寸問題

設計電路使用元器件的大小直接關乎到PCB布局空間的大小,對尺寸要求較高的電路板時,需根據單板布局空間、加工能力和電容參數要求選擇合適的封裝尺寸。往往封裝尺寸由和電容容量、耐壓息息相關,選擇需根據實際情況做出權衡,這其中和產品效能、成本、采購周期等因素息息相關。

根據套用場景,使用電容數據分析,單板上電容大部份用於電源濾波場景。在這種套用場景下,需關註紋波電壓的大小,電源動態響應能力等,選擇需遵循一些基本原則;

1、 環境溫度較高時盡量使用陶瓷電容,溫度特性好,ESR小,對紋波抑制有相對優勢,采購相對容易、成本較低;

2、 陶瓷電容無法完全兼顧容量、耐壓、成本三者,電容套用需滿足電壓降額等級要求;

3、 陶瓷電容通常建議選擇X7R、X5R,溫度補償型電容成本過高;

4、 電容類別歸一化,統一選用型號,減少型號數量。