電容，這篇講解說得太好了

一、電容的基本原理

電容，和電感、電阻一起，是電子學(xué)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。

以平行板電容器為例，簡單介紹下電容的基本原理

如上圖所示，在兩塊距離較近、相互平行的金屬平板上(平板之間為電介質(zhì))加載一個直流電壓；穩(wěn)定后，與電壓正極相連的金屬平板將呈現(xiàn)一定量的正電荷，而與電壓負(fù)極相連的金屬平板將呈現(xiàn)相等量的負(fù)電荷；這樣，兩個金屬平板之間就會形成一個靜電場，所以電容是以電場能的形式儲存電能量，儲存的電荷量為Q。

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(guān)，也就是Q=U*C。根據(jù)理論推導(dǎo)，平行板電容器的電容公式如下：

理想電容內(nèi)部是介質(zhì)(Dielectric)，沒有自由電荷，不可能產(chǎn)生電荷移動也就是電流，那么理想電容是如何通交流的呢？

通交流

電壓可以在電容內(nèi)部形成一個電場，而交流電壓就會產(chǎn)生交變電場。根據(jù)麥克斯韋方程組中的全電流定律：

即電流或變化的電場都可以產(chǎn)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。(這里電流代表電流密度，即J)

設(shè)交流電壓為正弦變化，即：

實(shí)際位移電流等于電流密度乘以面積：

所以電容的容抗為1/ωC，頻率很高時，電容容抗會很小，也就是通高頻。

下圖是利用ANSYS HFSS仿真的平行板電容器內(nèi)部的電磁場的變化。

橫截面電場變化(GIF動圖，貌似要點(diǎn)擊查看)

縱斷面磁場變化(GIF動圖，貌似要點(diǎn)擊查看)

也就是說電容在通交流的時候，內(nèi)部的電場和磁場在相互轉(zhuǎn)換。

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(shí)際電容等效模型

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

• 由于介質(zhì)都不是絕對絕緣的，都存在著一定的導(dǎo)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(dǎo)線、電極具有一定的電阻率，電介質(zhì)存在一定的介電損耗；這些損耗統(tǒng)一以等效串聯(lián)電阻ESR表示；

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

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

• 大多數(shù)時候，主要關(guān)注電容的ESR和ESL。

品質(zhì)因數(shù)(Quality Factor)

和電感一樣，可以定義電容的品質(zhì)因數(shù)，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(shù)。

自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

由于ESL的存在，與C一起構(gòu)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??；在自諧振頻率后，電容的阻抗隨著頻率增加而變小，就呈現(xiàn)感性；如下圖所示：

圖出自Taiyo Yuden的EMK042BJ332MC-W規(guī)格書

二、電容的工藝與結(jié)構(gòu)

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

電容的制造工藝主要可以分為三大類：

• 薄膜電容(Film Capacitor)

• 電解電容(Electrolytic Capacitor)

• 陶瓷電容(Ceramic Capacitor)

2.1 薄膜電容(Film Capacitor)

Film Capacitor在國內(nèi)通常翻譯為薄膜電容，但和Thin Film工藝是不一樣的。為了區(qū)分，個人認(rèn)為直接翻譯為膜電容好點(diǎn)。

薄膜電容是通過將兩片帶有金屬電極的塑料膜卷繞成一個圓柱形，最后封裝成型；由于其介質(zhì)通常是塑料材料，也稱為塑料薄膜電容；其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致如下圖所示：

原圖來自于維基百科

薄膜電容根據(jù)其電極的制作工藝，可以分為兩類：

金屬箔薄膜電容(Film/Foil)

金屬箔薄膜電容，直接在塑料膜上加一層薄金屬箔，通常是鋁箔，作為電極；這種工藝較為簡單，電極方便引出，可以應(yīng)用于大電流場合。

金屬化薄膜電容(Metallized Film)

金屬化薄膜電容，通過真空沉積(Vacuum Deposited)工藝直接在塑料膜的表面形成一個很薄的金屬表面，作為電極；由于電極厚度很薄，可以繞制成更大容量的電容；但由于電極厚度薄，只適用于小電流場合。

金屬化薄膜電容就是具有自我修復(fù)的功能，即假如電容內(nèi)部有擊穿損壞點(diǎn)，會在損壞處產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，氣化金屬在損壞處將形成一個氣化集合面，短路消失，損壞點(diǎn)被修復(fù)；因此，金屬化薄膜電容可靠性非常高，不存在短路失效；

薄膜電容有兩種卷繞方法：有感繞法在卷繞前，引線就已經(jīng)和內(nèi)部電極連在一起；無感繞法在繞制后，會采用鍍金等工藝，將兩個端面的內(nèi)部電極連成一個面，這樣可以獲得較小的ESL，應(yīng)該高頻性能較高；此外，還有一種疊層型的無感電容，結(jié)構(gòu)與MLCC類似，性能較好，便于做成SMD封裝。

最早的薄膜電容的介質(zhì)材料是用紙浸注在油或石蠟中，英國人D\'斐茨杰拉德于1876年發(fā)明的；工作電壓很高?，F(xiàn)在多用塑料材料，也就是高分子聚合物，根據(jù)其介質(zhì)材料的不同，主要有以下幾種：

應(yīng)用最多的薄膜電容是聚酯薄膜電容，比較便宜，由于其介電常數(shù)較高，尺寸可以做的較??；其次就是聚丙烯薄膜電容。其他材料還有聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等等。

薄膜電容的特點(diǎn)就是可以做到大容量，高耐壓；但由于工藝原因，其尺寸很難做小，通常應(yīng)用于強(qiáng)電電路，例如電力電子行業(yè)；基本上是長這個樣子：