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貼片電容最全篇 貼片電容應用原理及選型詳解

發布時間:2019-12-09

一、貼片電容的基本原理

貼片電容,和電感、電阻一起,是電子學三大基本無源器件;電容的功能就是以電場能的形式儲存電能量。
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電容儲存的電荷量Q與電壓U和自身屬性(也就是電容值C)有關,也就是Q=U*C。

電壓可以在電容內部形成一個電場,而交流電壓就會產生交變電場。

即電流或變化的電場都可以產生磁場,麥克斯韋將ε(?E/?t)定義為位移電流,是一個等效電流,代表著電場的變化

實際位移電流等于電流密度乘以面積:

1/ωC,頻率很高時,電容容抗會很小,也就是通高頻。

隔直流

直流電壓不隨時間變化,位移電流ε(?E/?t)為0,直流分量無法通過。

實際電容等效模型

實際電容的特性都是非理想的,有一些寄生效應;因此,需要用一個較為復雜的模型來表示實際電容,常用的等效模型如下:

  • 由于介質都不是絕對絕緣的,都存在著一定的導電能力;因此,任何電容都存在著漏電流,以等效電阻Rleak表示;

  • 電容器的導線、電極具有一定的電阻率,電介質存在一定的介電損耗;這些損耗統一以等效串聯電阻ESR表示;

  • 電容器的導線存在著一定的電感,在高頻時影響較大,以等效串聯電感ESL表示;

  • 另外,任何介質都存在著一定電滯現象,就是電容在快速放電后,突然斷開電壓,電容會恢復部分電荷量,以一個串聯RC電路表示。

大多數時候,主要關注電容的ESR和ESL。

品質因數(Quality Factor)

和電感一樣,可以定義電容的品質因數,也就是Q值,也就是電容的儲存功率與損耗功率的比:

Qc=(1/ωC)/ESR

Q值對高頻電容是比較重要的參數。

自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

由于ESL的存在,與C一起構成了一個諧振電路,其諧振頻率便是電容的自諧振頻率。在自諧振頻率前,電容的阻抗隨著頻率增加而變小;在自諧振頻率后,電容的阻抗隨著頻率增加而變小,就呈現感性;如下圖所示:

二、貼片電容的工藝與結構

根據電容公式,電容量的大小除了與電容的尺寸有關,與電介質的介電常數(Permittivity)有關。電介質的性能影響著電容的性能,不同的介質適用于不同的制造工藝。

常用介質的性能對比,可以參考AVX的一篇技術文檔。

三、電容的應用與選型

器件選型,其實就是從器件的規格書上提取相關的信息,判斷是否滿足產品的設計和應用的要求。

3.1 概述

電容作為一個儲能元件,可以儲存能量。外部電源斷開后,電容也可能帶電。因此,安全提示十分必要。有些電子設備內部會貼個高壓危險,小時候拆過家里的黑白電視機,拆開后看到顯像管上貼了個高壓危險,那時就有個疑問,沒插電源也會有高壓嗎?工作后,拆過幾個電源適配器,被電的回味無窮……

  • 儲存能量就可以當電源,例如超級電容;

  • 存儲數據,應用非常廣。動態易失性存儲器(DRAM)就是利用集成的電容陣列存儲數據,電容充滿電就是1,放完電就是0。各種手機、電腦、服務器中內存的使用量非常大,因此,內存行業都可以作為信息產業的風向標了。

此外,電容還可以用作:

  • 定時:電容充放電需要時間,可以用做定時器;還可以做延時電路,最常見的就是上電延時復位;一些定時芯片如NE556,可以產生三角波。

  • 諧振源:與電感一起組成LC諧振電路,產生固定頻率的信號。

利用電容通高頻、阻低頻、隔直流的特性,電容還可以用作:

電源去耦

電源去耦應該是電容最廣泛的應用,各種CPU、SOC、ASIC的周圍、背面放置了大量的電容,目的就是保持供電電壓的穩定。

首先,在DCDC電路中,需要選擇合適的輸入電容和輸出電容來降低電壓紋波。需要計算出相關參數。

此外,像IC工作時,不同時刻需要的工作電流是不一樣的,因此,也需要大量的去耦電容,來保證工作電壓得穩定。

耦合隔直

設計電路時,有些情況下,只希望傳遞交流信號,不希望傳遞直流信號,這時候可以使用串聯電容來耦合信號。

例如多級放大器,為了防止直流偏置相互影響,靜態工作點計算復雜,通常級間使用電容耦合,這樣每一級靜態工作點可以獨立分析。

例如PCIE、SATA這樣的高速串行信號,通常也使用電容進行交流耦合。

旁路濾波

旁路,顧名思義就是將不需要的交流信號導入大地。濾波其實也是一個意思。在微波射頻電路中,各種濾波器的設計都需要使用電容。此外,像EMC設計,對于接口處的LED燈,都會在信號線上加一顆濾波電容,這樣可以提高ESD測試時的可靠性。

3.2 片狀多層陶瓷電容

片狀多層陶瓷電容應該是出貨量最大的電容,制造商也比較多,像三大日系TDK、muRata、Taiyo Yuden,美系像KEMET、AVX(已經被日本京瓷收購了)

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