器件基础知识——电容

一、认识电容

 

1、储能能力

电容是电抗元件，其储存的能量称为静电能，理想情况下它自身不消耗能量

，E为电感储存的能量，C为电容量，V为电容两端电压

 

2、电容电压无法突变

，若电压发生突变，即du/dt很大，那么电容电流将无穷大，实际不可能，所以电容电压无法突变。若加在电容上两端的电压突然撤走，则电容会产生较大电流尖峰

 

 

3、交流电中电容电流相位超前电压相位90°

直流电中没有相位，而在交流电中，相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量

 

交流电的大小和方向是随时间变化的，以正弦交流电为例：

 

，t为相位

 

 

因为电容电压是无法突变，所以电容电流相位一定超前于电压相位

通过上述两式可得，电容电流相位超前电压相位90°

 

4、通高频阻低频

，理想情况下电容容抗计算公式

 

频率越小，容抗就越大，信号就越不容易通过，所以通高频

 

5、通交流隔直流

电容是由两块平行板组成，看成是断路无法通过直流电。而交流电不停改变方向产生感应电荷从而产生电流，而交流电压仅在充满电时达到最大值，因此电容通交隔直

 

6、等效模型

实际情况下，制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗，表现为等效串联电阻ESR和串联等效电感ESL，所以电容真实的等效模型，应如下图所示：

 

 

，

 

 

7、自谐振频率SRF

 

 

当频率低于自谐振频率时，电容呈容性，以电容方式工作

 

当频率等于自谐振频率时，电容呈阻性，以电阻方式工作

 

当频率高于自谐振频率时，电容呈感性，以电感方式工作

 

8、单位换算

 

9、电容种类

（1）薄膜电容器

 

常用于安规电容

 

X电容，跨接在零火线之间，对差模干扰起到滤波作用

 

Y电容，跨接在火线或零线与地(PE)之间，对共模干扰起到滤波作用

 

（2）陶瓷电容器

 

贴片片状电容，ESR低，容值小，体积小，耐压低，成本低，常用于低压电路的滤波、隔直、去耦、储能

 

（3）铝电解电容器

 

非固态(液态)电解电容，ESR高，容值大，体积大，耐压高，成本低，内部电解质为液体易蒸发，高温环境下寿命低，温度特性差，常用于低高压电路的滤波、储能

 

（4）固态电容器

 

固态电解电容，ESR低，容值大，体积大，耐压高，成本高，内部电解质为固体，温度特性好，常用于低高压电路的滤波、储能

 

（5）钽电容器

 

钽(电解)电容，ESR低，容值大，体积小，耐压低，成本高，内部电解质为金属钽，失效后易引起爆裂燃烧

 

备注：上述仅罗列了常用的电容器，高/低/大/小都是相对而言，每种电容都有它独特的应用场景，如钽电容可以做到容值大，体积相对小很多，适合用于小型化产品

 

通用规律

 

①同材质电容，一般容值越大，其体积就越大

 

②同材质同容值电容，一般体积越大，其耐压就越高

 

③电容ESR跟其材质、容值、体积、频率有关

 

④电容成本受市场影响，不同材质电容可能存在较大波动

 

10、常见封装

陶瓷电容封装公制与英制

11、串并联

电容串联，等效容值变小，等效耐压变大

 

，为N个电容串联后的等效容值 

 

电容串联后的等效耐压计算需要分情况来看

 

1）若串联中每个电容的容值相等，其等效耐压为

 

 

2）若串联中每个电容的容值存在不相等，需要分成单独电容来看耐压值。先计算每个电容所能分到的电压，然后根据电压对比电容自身的耐压值来一一确定是否满足耐压

 

①，是流过串联电容的总电压(已知)，、和是电容所分到的电压值(待求解)

 

②，电容串联电流相等

 

③

 

④联立上述三式可求解出，N为串联电容的个数，k为第k个电容

 

当N=2，k=1时， 

 

当N=2，k=2时，

 

当N=3，k=1时，

 

当N=3，k=2时，

 

 当N=3，k=3时，  

 

 当N=4，k=1时，  

 

⑤通过计算出来的分压值与电容本身的耐压值做比较，以此判断电容串联后是否能满足耐压要求

 

电容并联，等效容值变大同时ESR会减小，等效耐压取最小值

 

，为N个并联后的等效容值

 

，为N个并联后的等效耐压值

 

二、DC-DC开关电源

 

1、BUCK-TPS54202

 

， 影响输入电压纹波，ESR是输入电容最大等效串联阻抗，最大负载电流，是

开关频率

 

规格书指出要求，最大耐压值为

 

是自举电容，用于使上管MOS能正常导通，容值采用规格书推荐陶

瓷电容

 

下图为芯片内部框图，上下两管均为N-MOS，导通需要，但上管MOS源极连SW脚，，为使上管能成功导通，需要升压电路。此升压电路仅由组成，当上管MOS截止，下管MOS导通时，

，，被充电；当上管MOS导通，下管MOS截止时，，会强行泵高BOOT脚上电压，，使

电路，在时，输出由提供经由下管MOS续流至电感维持，在负载发生突变时，由空载变为重载，调节器需要两个或更多的时钟周期，以控制电源环路应对负载变化，在此期间需要输出电容来提供能量，以保证的下降在可接受范围内，因此电容需要足够大

 

 ，是输出电流的变化量，是可接受的输出电压变化范围，是变换器的开关频率，通过此公式可以评估出电源带载能力与输出电容容值之间的关系

 

，是可接受的电源纹波，是电感纹波电流，通过此公式可以评估出电源纹波与输出电容容值之间的关系，可以明显得出增大输出电容容值可以降低电源纹波

 

，通过此公式可以评估出电源纹波与输出电容ESR之间的关系

 

，此公式是在未添加前馈电容下，简单估算输出电容的交叉频率，规格书建议此频率<40kHz

是前馈电容，用于增加电源环路的相位裕量，提高环路稳定性

 

，当有较高ESR时，此电容不需要添加，但通常输出电容使用贴片陶瓷电容时，ESR都较小

 

通常：陶瓷电容ESR<钽电容ESR<电解电容ESR

 

在BUCK电路中，输入电容影响输入电压纹波，需要关注它的容值、ESR、耐压值；自举电容组成升压电路，按规格书推荐选型；输出电容影响电源带载能力、电源纹波，需要关注它的容值、ESR、耐压值、交叉频率；前馈电容影响环路稳定性，是否添加与输出电容ESR有关

 

2、BOOST-TPS61023

 

 

为输入电容，用于改善输入电流纹波。规格书指出，在使用长导线给电源供电时，需要额外增加大容量钽电容和电解电容，否则输出端的负载阶跃会在电源芯片VIN引脚引起振铃，严重将损坏器件为输出电容，用于满足输出纹波和环路稳定性的要求

 

，此公式是在使用陶瓷电容时的计算公式，忽略了ESR的影响，是最大占空比，可以明显得出增大输出电容容值可以降低电源纹波

 

，若使用的是钽电容或电解电容，则需要考虑ESR引入的电压纹波，此公式用于单独计算ESR引入的电压纹波部分

为前馈电容，用于增加电源环路的相位裕量，提高环路稳定性

 

，此公式用于计算前馈电容容值，是前馈电容产生的零点频率

 

3、BUCK-BOOST-TPS61023

 

是输入电容，用于改善稳压器的线路瞬态响应和电源EMI。若输入电源与电源芯片较远，则需要额外增加大容量钽电容或电解电容；若使用高阻抗源工作，建议增大输入电容容值

 

是输出电容，增大电容可以减小瞬态响应过冲和增加瞬态响应时间，在轻负载电流下，输出电压纹波取决于输出电容容值，较大的输出电容可以降低输出电压纹波，但大容值也带来大漏电流会增大

4、总结

在DC-DC中电容的选型，重点关注电容的六个参数以及规格书的推荐

，容值

 

，等效直流阻抗

 

，耐压值

 

，器件封装

 

，温度特性

 

，电容精度

 

电容的作用：

 

①隔直：阻止直流信号而让交流信号通过（音频信号、纹波测量）

 

②滤波：滤除杂波

 

③储能：当负载变化过快时，及时补偿，维持电压稳定

 

④旁路：针对输入信号，滤除高频噪声，容值一般根据谐振频率，0.01~0.1uF

 

⑤去耦：针对输出信号，滤除低频噪声，容值一般10uF及以上

 

                        

原文链接：

https://blog.csdn.net/ps574134526/article/details/122484731