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电容器的选型要点有哪些?

2023-02-12科学

电容选型关注的参数众多,工程师选型时经常有一些疑惑。本着方便好用的原则,关注相关基本的特性参数,保证产品质量和降低物料成本。

1.容量

为什么要考虑容量问题

电容量表示在电容两极施加电压,依赖电荷的相互作用力把电荷储存多少的一个量值,本质就是充电与放电。容量的大小用C表示。

C:电容量,单位F;

Q:电容两极板上储存电荷量,单位C;

U:电容两极板上施加电压差,单位V;

S:两极板相对面积,单位m2;

d:两极板距离,单位m;

ε:两极板间介电常数;

k:静电常数

电容量大小由两极板面积(S)、两极板间距(d)、两极板间介电常数(ε)决定。

常用电容量范围0.5pF~4700uF,面对这么多种类容量的电容,可根据电容不同性质应用在不同的场景,如滤波电容、去耦电容、储能电容、调谐电容等。不同的应用场景,电容有不同的用途,实际需根据使用情况、电容特性、成本等因素去选择。

2.允许误差

误差大小对应用有什么影响

电容容量实际很难做到理想电容值,电容量误差是指实际容量与标称容量间的偏差。根据国家标准(GB /T 2691-2006)规定,电容的标称容量允许误差用文字符号表示。但小于10pF电容不用百分比表示误差,一般用容值作为单位表示误差。

由图可知,同一类型电容误差厂家会有不同精度的选择。常用误差只要能达到J级、K级、M级,误差要求过高过低都不好,只能是针对使用背景折衷考虑,容差过大,能降低物料成本,但产品质量与可靠性等可能难以到达设计要求;容差过小,产品质量得到满足,制造物料成本增加,无形中增加产品成本。

3.额定电压

为什么有额定电压,有什么作用

额定电压指在环境温度范围内可连续施加在电容上最高直流电压有效值。如果工作电压超过电容额定电压,电容将被击穿,造成永久性损坏。对于陶瓷电容有另外一个特性直流偏压特性,施加直流电压,其静电容有时会不同与标称值。

1uF-16V-X7R电容直流偏压特性

如图所示,直流偏压越接近额定电压处,电容量下降的越快。额定电压值越高的电容,其物料成本也会快速的上涨,为了平衡成本和性能之间的矛盾,设计中根据实际应用采用不同等级降额设计。

4.阻抗频率

频率变化会产生有什么现象出现,等效电阻ESR和等效电感ESL

电容作为基本元器件,生产工艺制造出来都不是理想电容,都会有寄生参数存在,如图所示模型:

根据电容等效模型,可推导电容复阻抗公式:

R表示电容绝缘电阻,实际上绝缘电阻无穷大,R远大于电容阻抗Rc,电容等效公式简化:

这个公式很熟悉,RLC谐振电路推导公式,当频率比较低时,容抗远大于感抗,电容阻抗主要呈容性;当频率比较高时,电容阻抗主要呈感性。随着频率的增加,发生谐振,即容抗等于感抗时,阻抗达到最小值,此时滤波效果最好。

由图所示,不同容值电容发生谐振时的频率是不同,在使用电容时,根据谐振频率来应用在不同场景上。

5.温度

温度变化对电容产生那些影响

电容类型可根据不同电介质分为Ⅰ类电容和Ⅱ类电容,不同类型的电容工作温度范围是不同的,容值也会随着温度的在波动。

Ⅰ类电容温度引起的容量变化小,但是因电容率低电容量较低,常用于温度补偿、高频电路等方向;II类电容因电容率高,容量可以做较大,但温度引起容量变化大,常用于去耦电路、耦合电路等方向。电路设计过程中要结合产品使用环境即温度范围,考虑不同电容的温度系数,按照使用场景选择符合要求的电容。

6.封装尺寸

为什么要考虑封装尺寸问题

设计电路使用元器件的大小直接关乎到PCB布局空间的大小,对尺寸要求较高的电路板时,需根据单板布局空间、加工能力和电容参数要求选择合适的封装尺寸。往往封装尺寸由和电容容量、耐压息息相关,选择需根据实际情况做出权衡,这其中和产品性能、成本、采购周期等因素息息相关。

根据应用场景,使用电容数据分析,单板上电容大部分用于电源滤波场景。在这种应用场景下,需关注纹波电压的大小,电源动态响应能力等,选择需遵循一些基本原则;

1、 环境温度较高时尽量使用陶瓷电容,温度特性好,ESR小,对纹波抑制有相对优势,采购相对容易、成本较低;

2、 陶瓷电容无法完全兼顾容量、耐压、成本三者,电容应用需满足电压降额等级要求;

3、 陶瓷电容通常建议选择X7R、X5R,温度补偿型电容成本过高;

4、 电容类型归一化,统一选用型号,减少型号数量。