中心議題：
- 電源濾波電容的選擇
- 電機(jī)驅(qū)動濾波電容的選擇
- 運(yùn)放電路中的電容選擇
- 電容器的應(yīng)用趨勢
2011年，我國提供了全球近三分之一的無源元件。中國電子元器件行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，中國2011年電容器銷售總額達(dá)67億美元，比2010年增長了5%。以電阻、電感、電容等為代表的被動元件從2011年以來已經(jīng)開始穩(wěn)中有升，平板電腦為代表的消費(fèi)電子，以及受各種利好政策的積極影響的白色家電、汽車電子、手持設(shè)備等市場對被動元件需求增加，電阻、電容等市場的前景可以說十分樂觀。本期半月談將聚焦電容在不同場合的選型和應(yīng)用，同時(shí)展望電容在應(yīng)用市場上呈現(xiàn)的趨勢。
電容有很多種命名方法，按照功能分，包括旁路電容，去耦電容，濾波電容；按照介質(zhì)又可分為瓷介、薄膜介質(zhì)（含多種薄膜）、鋁電解電容器……不過無論是哪種電容，它的原理都是一樣的，即利用對交流信號呈現(xiàn)低阻抗的特性——工作頻率越高，電容值越大則電容的阻抗越小。在電路中，如果電容起的主要作用是給交流信號提供低阻抗的通路，就稱為旁路電容；如果主要是為了增加電源和地的交流耦合，減少交流信號對電源的影響，就可以稱為去耦電容；如果用于濾波電路中，那么又可以稱為濾波電容；除此以外，對于直流電壓，電容器還可作為電路儲能，利用充放電起到電池的作用。
正因?yàn)殡娙輳V泛的應(yīng)用，如何選擇適合和電容器就成了許多工程師關(guān)注的話題。
電源濾波電容的選擇
電容的阻抗與頻率成反比，所以電容可以阻擋低頻通過。電感正相反——所以二者適當(dāng)組合,就可過濾各種頻率信號。如在整流電路中,將電容并在負(fù)載上或?qū)㈦姼写?lián)在負(fù)載上,可濾去交流紋波。
由于電解電容的作用是過濾掉電流中的低頻信號，但即使是低頻信號，其頻率也分為了好幾個(gè)數(shù)量級。因此為了適合在不同頻率下使用，電解電容也分為高頻電容和低頻電容（這里的高頻是相對而言）。
低頻濾波電容主要用于市電濾波或變壓器整流后的濾波，其工作頻率與市電一致為50Hz；而高頻濾波電容主要工作在開關(guān)電源整流后的濾波，其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。當(dāng)我們將低頻濾波電容用于高頻電路時(shí)，由于低頻濾波電容高頻特性不好，它在高頻充放電時(shí)內(nèi)阻較大，等效電感較高。因此在使用中會因電解液的頻繁極化而產(chǎn)生較大的熱量。而較高的溫度將使電容內(nèi)部的電解液氣化，電容內(nèi)壓力升高，最終導(dǎo)致電容的鼓包和爆裂。
電源濾波電容的大小，平時(shí)做設(shè)計(jì)，前級用4.7u,用于濾低頻，二級用0.1u，用于濾高頻，4.7uF的電容作用是減小輸出脈動和低頻干擾，0.1uF的電容應(yīng)該是減小由于負(fù)載電流瞬時(shí)變化引起的高頻干擾。一般前面那個(gè)越大越好，兩個(gè)電容值相差大概100倍左右。電源濾波，開關(guān)電源，要看你的ESR(電容的等效串聯(lián)電阻)有多大，而高頻電容的選擇最好在其自諧振頻率上。大電容是防止浪涌，機(jī)理就好比大水庫防洪能力更強(qiáng)一樣；小電容濾高頻干擾，任何器件都可以等效成一個(gè)電阻、電感、電容的串并聯(lián)電路，也就有了自諧振，只有在這個(gè)自諧振頻率上，等效電阻最小，所以濾波最好。
電容的等效模型為一電感L，一電阻R和電容C的串聯(lián)（下圖），電感L為電容引線所至，電阻R代表電容的有功功率損耗。因而可等效為串聯(lián)LC回路求其諧振頻率，串聯(lián)諧振的條件為WL=1/WC,W=2*PI*f,從而得到此式子f = 1/(2pi* LC)，串聯(lián)LC回路中心頻率處電抗最小表現(xiàn)為純電阻，所以中心頻率處起到濾波效果．引線電感的大小因其粗細(xì)長短而不同，接地電容的電感一般是1MM為 10nH左右，取決于需要接地的頻率。
采用電容濾波設(shè)計(jì)需要考慮參數(shù)ESR、ESL、耐壓值和諧振頻率。
電機(jī)驅(qū)動濾波電容的選擇
電路中濾波電容的選型需要考慮幾個(gè)方面：電容耐壓、工作溫度、容量等。理論上說電源濾波用電容越大越好，一般大電容濾低頻波,小電容濾高頻波。為了獲得更大的濾波頻段，可以將一大一小兩個(gè)電容并聯(lián),一般要求相差兩個(gè)數(shù)量級以上。在電源設(shè)計(jì)中,濾波電容的選取原則是C≥2.5T/R，在實(shí)際的應(yīng)用中一般都選取C≥5T/R。
以電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中的濾波電容為例，輸入濾波電容容量的選擇和驅(qū)動器的驅(qū)動電壓、最大功率有直接關(guān)系，需要作一些計(jì)算得到如果此電容容量過少，驅(qū)動器表現(xiàn)為驅(qū)動力不足；而容量過大，則增加制造成本。工程應(yīng)用中，有這樣的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則：濾波電容容量數(shù)值等于驅(qū)動功率數(shù)值。但需要注意，這只是針對單相220V交流電全波整流的驅(qū)動應(yīng)用。
首先，從電容、電阻的RC時(shí)間常數(shù)τ說起：τ越大，則R兩端的電壓越平穩(wěn)，對于脈動電源，則其紋波電壓越少。在工程上，當(dāng)RC時(shí)間常數(shù)滿足以下條件時(shí)，可以滿足紋波要求。T為脈動電源的周期，對于50Hz市電經(jīng)全波整流后的周期T為：10mS。
故由上兩式可以得； R為等效負(fù)載電阻； C為濾波電容容量。所以，只要得到電機(jī)驅(qū)動器的等效負(fù)載電阻，即可算出濾波電容所需的容量大小。
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運(yùn)放電路中的電容選擇
電容器在實(shí)際使用時(shí)可能是不理想的，考慮到尺寸和成本，大多數(shù)實(shí)用的、大數(shù)值的電容都是電解型的，可見，這樣的電容特別適用于濾除低頻噪聲：
Z=RC+jωLC+1/jωC。
當(dāng)頻率增加時(shí)，電解電容的容抗將降低，直到感抗等于容抗為止，取決于所用的電解電容的確切型號，它可能出現(xiàn)在大約1MHz的頻率處。對于高頻旁路，要求選用不同型號的電容，通常是推薦一種廉價(jià)的、小型陶瓷電容（0.01～0.1μF）。在1 MHz處，0.1μF電容的容抗是1.6Ω，但是應(yīng)注意，廉價(jià)的陶瓷電容多半不都只是 “容”性的。
陶瓷電容有很多功用，優(yōu)良NPO（負(fù)-正-零溫度系數(shù)）器件有±30p pm/℃的溫度系數(shù)，并且相對較便宜。但是陶瓷電容不是靈丹妙藥，取決于用作結(jié)構(gòu)材料的陶瓷介質(zhì)成分，它們有0.1％到1％，甚至更多的介質(zhì)吸收（D.A.）作用。介質(zhì)吸收其實(shí)就是，當(dāng)快速充電和放電時(shí)，吸入到介質(zhì)內(nèi)的電荷不能馬上加到電容上或從電容上離開。這種效應(yīng)在有很多通道的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)中是有害的。在轉(zhuǎn)換以前，這些通道里都有由采樣-保持電路采集的各種各樣的數(shù)據(jù)，在 最大階躍的最壞情形中，由保持電容的介質(zhì)吸收引起的誤差，等于介質(zhì)吸收能力 。
由于正在測量的電壓和以前測量的電壓之間的差值決定了介質(zhì)吸收指數(shù)所要乘的系數(shù)，所以對這個(gè)誤差源做快速校正是不可能的。唯一的解決辦法是使用一個(gè)介質(zhì)吸收低于最大可允許誤差的電容器。
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電容器的應(yīng)用趨勢
電容經(jīng)過發(fā)展，目前體現(xiàn)出了以下趨勢：片式多層瓷介電容器占主要比例，鉭電解電容器急劇增長，鋁電解電容器和薄膜介質(zhì)電容器所占比例下降，可變和微調(diào)電容器量在下降，云母、紙介和一些有機(jī)薄膜介質(zhì)、管狀瓷介等面臨淘汰；高頻特性及耐溫不易解決和卷繞式結(jié)構(gòu)的電容器下降幅度大……而在應(yīng)用方面，由于無線通信的不斷發(fā)展，3G、4G對電容器產(chǎn)品提出了更高的要求；醫(yī)療電子也邁向小型化和便攜化，讓電容器在醫(yī)療電子抗干擾、穩(wěn)壓等等方面迎來了新的發(fā)展……
小型化加速多層陶瓷電容發(fā)展。移動電話、計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、汽車等領(lǐng)域大量使用多層陶瓷電容，但近年來數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步對陶瓷電容提出了新要求。例如，移動電話的迅猛發(fā)展要求更高的傳輸速率和更高的性能。在基帶中，為了滿足TV、視頻、游戲的要求，需要高速度、低電壓的處理器；LCD模塊要求低厚度(0.5mm)、大容量電容；PA模塊則期待小型化的產(chǎn)品。自2011開始，高端機(jī)頂盒(STB)、高清電視和汽車電子產(chǎn)品正在成為電容器生產(chǎn)線的主要驅(qū)動力。手機(jī)、無線網(wǎng)卡和SD卡等小型設(shè)備將刺激多層陶瓷電容器(MLCC)的增長，進(jìn)一步推動小型化趨勢。
新能源汽車、光伏、LED照明等節(jié)能領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展推動電容的廣泛應(yīng)用。電動汽車、風(fēng)力、太陽能發(fā)電推動了阻容的使用。風(fēng)能發(fā)電電源管理系統(tǒng)的時(shí)候，選型時(shí)主要考慮高電壓、大容值的電容器，產(chǎn)生很大的產(chǎn)品需求。比如風(fēng)能產(chǎn)品系統(tǒng)，有三處運(yùn)用電容器到這個(gè)產(chǎn)品中，第一個(gè)可以選用薄膜電容器做高電壓吸收的應(yīng)用；還有一個(gè)是DC- LINK，DC-DC轉(zhuǎn)換過程中，起濾波儲能的作用；還有并網(wǎng)的時(shí)候還有抗干擾的電容。
以鋁電解電容為例，在換混合動力、電動汽車的電池充電、電壓轉(zhuǎn)換、逆變器等電路中，對鋁電解電容的需求越來越高，而鋁電解電容也是風(fēng)電、光伏應(yīng)用中逆變、變壓模塊不可或缺的部分，到2015年市場規(guī)模有望達(dá)到55億元。
LED照明方案中，對LED燈的使用壽命影響最大的器件就是去耦電容器。雖然無電解電容的LED照明方案也已經(jīng)推出，但是如果不采用電解電容，LED驅(qū)動器的設(shè)計(jì)會變得非常昂貴。在低功率水平上，通過用陶瓷電容取代電解電容可以解決這一問題，而在高品質(zhì)光源燈具上，電解電容是難以去除的。在高品質(zhì)光源燈具上，電解電容是難以去除的。事實(shí)上，如果電解電容質(zhì)量很好，可以達(dá)到105攝氏度的工作溫度和10000小時(shí)額定工作時(shí)間，就沒有必要將電解電容從LED驅(qū)動設(shè)計(jì)中去除。
當(dāng)然，各個(gè)廠商也在積極展示自己在節(jié)能領(lǐng)域的實(shí)力。TDK-EPC曾在亞洲風(fēng)能大會暨國際風(fēng)能設(shè)備展覽會上展出了其用于風(fēng)能和太陽能的最重要的創(chuàng)新元件產(chǎn)品系列和解決方案包括愛普科斯（EPCOS）電力電容器，鋁電解電容器以及EMC濾波器和壓敏電阻。此外，村田、太陽誘電等領(lǐng)先的阻容元件廠商都在積極地投身了節(jié)能應(yīng)用。
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