薄膜电容、陶瓷电容和电解电容器对比及注意事项

薄膜电容、陶瓷电容、钽电容和电解电容器，这些电容器各有什么不同，在使用时应该注意什么？本文对几种不同的电容器进行了比较，并分享了多名美国工程师使用电容器的经验......

不要以为设计中的简单无源元件不会带来麻烦。像电容器这样的简单元件就可能会带来极大的问题。模拟大师Bob Pease1982年曾写过一篇有关电容器介质静电荷的文章，他讨论的原则在39年后仍然有效。

Pease描述的介质静电荷问题就像电容器的记忆效应。如果对高电压电容器进行放电，则移除短路时，电容器上的电压会回弹。介质静电荷的另一个名称是介电吸收，它提示电容器中的绝缘电介质吸收了电荷，并且电荷被“困”在电介质中。它无法放电，因此电压再次出现。这并不奇怪，驻极体麦克风的工作原理是使介电层有意保留电荷。浸润可能会对高压电动机应用中的电容器造成电击危险，还会对信号处理应用造成严重破坏，因为电荷存储在电容器中，而电容器是模数转换器的一部分。存留的电荷是产生误差的直接因素，会给出错误的测量读数。

我有一个朋友在一家ADSL公司工作，他们的线卡用于电话公司的局端。这些卡是的电话公司硬件，DSL调制解调器与这些卡进行通信。DSL在使用中会分配大量的频格（Frequency Bin）。线卡测量进入房屋的双绞线阻抗，然后适应进入房屋的特定双绞线的特定阻抗曲线。线卡原型工作很正常。然后工程师将振铃信号加到线路上，就像电话响了一样。DSL线卡和调制解调器会解除锁定，然后重新协商连接，尽管两者之间的线路没有任何变化。电话振铃信号约为交流90V。这个大电压在线卡电路的某些电容器中产生了介电吸收，线卡感应到阻抗变化，因而解除锁定并重新协商。当我的朋友认识到这一点，然后换上低浸润电容器，问题就消失了。

尽管电容的原理图符号很简单，但实际上电容器有许多不同的结构。为了得到MAX电容值，电容器制造商制造具有箔片和液体电介质的铝电解电容器。这种结构会产生两个问题：电解电容器会产生极化，同时可靠性很差。如果在正极端子上施加一个负电压，则电容器会被爆炸，而且爆炸力很强。这就是为什么在对原型开机和进行故障排除时应戴上安全眼镜的原因，哪怕技工能够保证所有电容器焊接正确。

钽电容器也有较高的电容值，并且也会极化。像电解电容器一样，钽电容器的可靠性比任何其他组件都要差几个数量级，电位计可能除外。如果要求高可靠性，则可使用湿塞式军用规格钽电容器来替代，这些电容器比较贵。还要注意的是，发热会使一切变得更糟，即使在室温环境下，流入这些大容量电容器的电流也会使它们变得很热。

如今许多工程师都将陶瓷电容器视为理想的电容器，但事实并非如此。现在其MAX值为几百µF，但是这些大容量电容器的温度系数很差，因此电容值会随温度波动而明显变化。为了获得温度稳定性，必须使用NPO或COG电介质，而这些电介质的电容值要小得多，从几pF到几千pF。由于额定电压更高的电容器需要其电板之间的距离更大，所以尺寸、电压和电容值是直接相关的。如果需要高压大容量电容器，则必须接受它的物理尺寸更大这一事实。

陶瓷电容器的另一个问题是会产生噪音。我的另一位朋友设计了一个60W的LED灯泡。他知道如果要让电源的可靠性与LED发射器的可靠性相当，必须取出所有电解电容器。他找到了一些大容值陶瓷电容，但发现当调光电路调到音频范围开关频率时，这些电容会“尖叫”。陶瓷电容器也有颤噪效应。如果敲一下信号路径上的陶瓷电容器，会看到示波器上的信号急剧跳变。

我曾为军事承包商工作，他们总是备有全套的云母电容器。这些都是低损耗的电容器，在介电吸收和温度方面近乎完美，但为此也付出了代价，即尺寸大、容值小。另一种选择是缠绕或堆叠薄膜电容器。薄膜电介质几乎没有浸润，且温度系数适中。它们与相关的聚丙烯电容器的另一个好处是会自我修复，就像信得过的老式Orange Drop电容器一样。如果高压击穿了绝缘膜，则被击穿的膜将局部熔化并保护电容器的其余部分。其电容值几乎完全相同，并且故障不是短路或开路。

电容器的关键参数是其内部阻抗，这既是等效串联电感（ESL）又是等效串联电阻（ESR）。完美的电容器根本不存在，而且完美还可能带来麻烦。许多开关电源架构都依赖输出电容器的ESR。ESR可提供与流入电容的电流成比例的小信号，控制芯片在反馈电路中使用此信号。因此，用可靠性更高的陶瓷电容器代替电解电容器可能只会使电源在部分或全部负载下发生振荡。大多数电源芯片的数据表中都会清楚说明是否可以使用陶瓷输出电容器。确保利用Spice仿真对所用电容器的ESL和ESR建模。

最极端的电容器是超级电容器，电容值达到几个法拉，但通常电压较低。你可以将超级电容器视为电池，它们具有三个重要优势。首先，它们的使用寿命不会减短，即使充电和放电10,000次，其电容值和性能都不会改变；超级电容器的第二个优点是它们的内部阻抗较低，就是我们提到的ESL和ESR。这意味着其充电速度和放电速度都很快，例如可以驱动照相机闪光灯或电源电路的初始升压充电；第三个优点是可以将超级电容器一直放电至零伏，释放所有能量，而锂离子电池只能从4.2V放电至3.3V。

维基百科很好地描述了电容器及其类型。一定要向有经验的老工程师及应用工程师了解电容器及电容器的不同。我看到过一个关于PCB车间的话题，一个中国组装厂说服工程师将其所有被动器件替换为中国厂商的器件。这个决定非常鲁莽，除非你花时间找出几十个这些零件，并评估其性能随时间和温度的变化情况。当电容器发生故障或不能保持其电容值时，电路就会断开，就好像某些IC烧毁一样。一定要从主流分销商那里购买电容器，因为他们的库存都是来自知名制造商的高质量产品。