2.9 电容器的特性与选用

2.9.1 陶瓷电容

1．概述

陶瓷电容因为体积小、寿命长、使用频率高等优点，在开关电源中应用比较多。陶瓷电容也叫瓷介电容，它的介质是一种天然物质陶瓷。陶瓷电容器有多种结构形式，其原理大体一样，主要是根据陶瓷的理化性质严格控制陶瓷片的厚度、面积、光滑度和平整度，然后经过现代技术进行精细加工而成。陶瓷的种类很多，根据成分不同，可分为钛康陶瓷、热康陶瓷及钛酸钡陶瓷等，钛康材料的介电常数较高，具有负温度系数。热康材料的介电常数较低，负温度系数较小，电容的稳定性好。偏钛酸钡材料介电常数最高，温度系数也很大，电容器的稳定性很差，一般高新电子产品不用这种电容。陶瓷电容在开关电源电路中常用来抑制共态噪声，常接在电路与地之间，即Y电容，如图2-22所示。

2．陶瓷电容在电路中的作用

一般说，电容有隔直流信号，传递交流信号的作用，它对防止和滤除噪波、高频电磁干扰和稳定电气性能起着十分重要的作用，陶瓷电容在电子电路中起如下的作用：

1）平滑纹波电流。开关电源输出电能，都是脉动直流，电流纹波较大，开关电路常采用大电容量的电解电容，随着开关电源的高频化与小型化，对电源输出参数要求也越来越高，目前均已采用叠层陶瓷电容，这种电容器的内部采用镍，经过碳膜化高温处理使电容量、耐电压等级及漏电流降低得到极大的改善。叠层陶瓷电容的容抗跟铝电解电容相比非常小，在电路中用作平滑纹波的效果非常好，电容自身的发热量很低，对输出100～500kHz的纹波电流的平滑度有显著提高。一般来说，铝电解电容随着使用时间的延长，它的电容量随电解质干涸而减小，而陶瓷电容的电容量几乎不随时间变化。

2）旁路噪声干扰。为了阻止噪声由输出回路进入负载或者低频电磁波由输入电路进入电源，一般在电路中接入陶瓷电容，用它来抑制正态噪声和用于低通滤波。这种作用的电容称为旁路电容，它配接在主电路的输出电路中，其旁路效果比较好。这种电容的电容量一般为220～3300pF，耐压范围视电路作用而定，一般为500V～1.2kV。

3）滤除噪声。开关电源的输入回路常接有交流电路滤波器，它的作用是滤除外部噪声的进入与内部噪声的传出，这种滤除噪声的电容都用陶瓷电容。接在电源进线的电容，抑制噪声的频率较低，所需的电容量较大，耐压为275V，称它为X电容，如图2-22所示。

3．陶瓷电容的特点

1）结构简单，加工生产工艺要求不高，原料丰富，价格便宜。

2）电容的绝缘性能强，绝缘电阻大，可制成耐压很高的电容，能耐压高达2kV。

3）具有良好的耐热性，有耐高温的特点，可在高达500～600℃的条件下正常稳定工作。

4）温度系数范围很宽，可以生产出不同温度系数的电容，以适用于不同的场合。

5）陶瓷电容还有耐酸、耐碱、耐盐的特点，若受水的侵蚀，也能长期正常地工作，不易老化。

6）陶瓷材料的介电系数很大，一般从几十皮法到数百皮法，有的介电系数高达几千皮法，这使得瓷介电容器的体积可以做得很小，如果采用多叠层的方式，电容器的容量可扩展很大。

7）陶瓷电容的瓷介质材料不可以卷曲，电容器本身不带电感性，这样生产出来的陶瓷电容高频特性较高，广泛用于航天通信。

8）陶瓷电容的损耗角正切值与频率的关系很小，损耗值不随频率的升高而上升。但是，它的机械强度低，容易破裂损坏。

2.9.2 薄膜电容

1．概述

有机薄膜就是塑料薄膜，以有机介质材料制造的电容就是薄膜电容。

薄膜电容有十几种，有聚苯乙烯电容、聚四氟乙烯电容、聚酯（涤纶）电容、聚丙烯电容等。聚苯乙烯电容器的种类很多，CB10型、CB11型为普通聚苯乙烯电容器，CB14型、CB15型为精密聚苯乙烯电容器。聚四氟乙烯电容器使用的材料价格昂贵，生产成本高，通常只在特殊场合选用这种电容器，例如高温、高绝缘、高频电路中使用。聚酯电容器就是涤纶电容，它性能稳定、体积小，常常被用在高级电子设备中。

2．薄膜电容在电路中的作用

薄膜电容有很多优点，被广泛用于开关电源电路中。

1）抑制正态噪声。电源输入回路的低频噪声波以及电磁杂波，是一种频率低于5MHz的干扰信号，抑制这种信号的能力，就是电子设备电磁兼容性（EMC）指标的高低，要保证电子设备既不受周围环境噪声的影响，也不能对周围设备产生干扰，图2-22中的C1、C4以及C2、C3、L、C5、C6将起着决定性作用，C1、C4与交流输入线并接，抑制正态噪声叫X电容，C2、C3、C5、C6接在输入线与地之间称Y电容，也起着抑制正态噪声的作用，这里的元件既可以用陶瓷电容，也可以用薄膜电容。抑制正态噪声的Y电容的选用，要注意电容的额定值，其次是漏电流。

2）用作电路充放电。很多电子电路为了加速晶体管的导通和截止，一般在晶体管的基极串联由电容、电阻组成的RC微分电路，C就是加速充电电容。用于晶闸管的高压点火过程中，它将电容器的充电电能输入到变压器的一次侧，经变压器耦合升压，使它的二次侧获得高压，进行重复点火，如火箭发射起飞等，都是采用光放电原理。

3）抑制共模干扰。共模干扰和差模干扰是开关电源防止干扰常见的一种物理现象，这种干扰不但幅值高、能量大，而且对电源有破坏性的损害作用，只有聚四氟乙烯薄膜电容才能抑制这种干扰。图2-22中的C10就是为抑制这种干扰而设计的。

3．薄膜电容的特性

1）耐压范围宽。薄膜电容一般耐压范围在30V～15kV内。普通聚苯乙烯电容的额定电压为100V；高压型聚苯乙烯电容的工作电压可高达40kV，专供高压电子设备使用。

2）绝缘电阻高。聚苯乙烯电容的容抗一般大于1011Ω，所以它的漏电流很小，电容在充电后静置1000h，仍能保持95%以上的电荷。而纸介质电容充电后静置200h，充电电荷量几乎全部放完。所以聚苯乙烯电容广泛用于航空航天、金属冶炼及超低温寒冷环境。

3）电容器的损耗很小，通常tanδ=5×10-4～12×10-4，所以用在高频电路或要求绝缘电阻很大的电子产品里。

4）电容的制造工艺简单，用于制造电容的材料丰富，而且电容的容量范围宽，一般可生产的容量为50pF～500μF。

5）制造出的电容精度很高，这是因为金属膜聚苯乙烯的厚度、平整度和均匀度容易控制。电容器的误差等级为±1%、±2%和±5%。特殊需要时，电容器的误差可控制到±0.3%，甚至±0.1%。

6）聚苯乙烯电容的温度系数极小，一般为-70×10-6～200×10-6（1/℃）。电容在电路中工作极为稳定，但是工作温度不能超过100℃，否则电容的损耗加大。抗酸碱、耐腐蚀、耐潮湿也是聚苯乙烯电容的一大优点。当电容器两片极板因电压过高而将局部击穿时，聚苯乙烯金属膜层能使击穿点的金属层面恢复到击穿点之外，从而达到自愈，能消除因击穿造成的短路，保证了电路安全。

2.9.3 铝电解电容

铝电解电容也是由极板和绝缘介质组成的。它的绝缘介质一般是铝酸溶液。铝电解电容是在开关电源电路里使用比较多的一种元件，它的质量好坏也是整个电源质量好坏的关键。如果对它的功能特性、选用原则不十分了解，很难在电子设备中发挥它的作用，甚至可能起到相反的作用。设计工程师必须把握铝电解电容的电气参数与性能特点，才能正确地设计出高品质开关电源和其他电子产品。

1．铝电解电容的功能特性

铝电解电容和其他电容一样，也有传递电能、滤除交流的作用。常常由于温度、湿度、工作电压以及频率的影响，使电容的寿命、效果发生质的变化，因此，提高铝电解电容的质量、缩小体积是所有生产厂家主攻的难题。他们在生产工艺上采用了许多新技术，其中有扩大电极箔的蚀刻倍率、开发耐热性能好的高电导率电解液；提高电解体隔膜的化学性能和热稳定性；采用高气密性、耐腐蚀、耐高温的封口材料；对生产工艺和监测环节采用全程自动化跟踪生产，以提高产品的质量。影响铝电解电容器的是温度和随着时间而延长的电解液的导电性能，它们影响铝电解电容的工作电压和体积的蚀刻倍率，因此增大电解体的有效表面积，增大电极箔的单位面积，是增加电容静电容量，提高电容极片的耐压等级的主要手段。

铝电解电容的电解液是通过高沸点溶液媒介和电离子离解度物质融合并添加高温稳定剂而成的。电解电容的封口衬垫用来控制电容里的电解质溶液挥发而设定，衬垫材料的选择对电容的寿命至关重要。铝电解电容的性能主要决定于电解液的性能、阳极箔蚀刻倍率以及封口材料等因素。

2．铝电解电容的电气参数

1）额定工作电压。铝电解电容的额定（直流）工作电压是衡量电容动态品质重要参数，如果电路施加在电容的最高峰电压高于电容的额定电压，电容器的漏电流将增大，传递电能的能力将下降，电气特性将会破坏，严重超压时，在很短的时间使电容爆裂损坏。

2）标称静电容量及允许偏差。开关电源整流滤波的电容量较大，而且是随着输出功率的变化而改变的，它是为减小整流后的电压纹波而设立的，起着平波作用。在电容的额定电压一定时，电容的容量越大，体积越大，价格也越高。如果滤波电解电容量太小，不仅对直流纹波电压起不到滤波的作用，还会引起开关管的损坏，很可能会导致输出波峰电流超过安全标准。开关电源对电解电容器容量偏差有严格的要求，一般允许偏差±10%，高级的电源为±5%。

3）使用温度范围。开关电源的温升一般只能达到60℃，由于电源胶壳内部空间有限，元器件排列拥挤，散热条件较差，当环境温度超过35℃时，开关电源壳内温升超过80℃，加上电解电容器自身的热量，电容表面温度会超过90℃，这对电解电容器的质量是一个很大考验。从可靠性和安全性考虑，注意电容器所标明的温度范围。除此以外，还要注意电容器内部电解液受温度影响，通过封口，从缝隙可看到漏逃逸的程度。还要求具有防爆装置。

4）漏电流。漏电流是所有电容的一个重要技术指标，如果漏电流偏大，电容的容量将随着时间的延长急剧减小，使寿命也越来越短，对整个电源的使用时间产生重大影响，铝电解电容将漏电流视为生命电流，可见漏电流的大小非同一般。

5）损耗角正切值。电容的损耗角正切值是电容容抗的一种表述，电子电路有阻抗、容抗和感抗，统称为电抗，损耗角正切是功率损耗一个参量。

6）耐高频脉冲电流能力。任何一只电解电容，把它视为一个理想的电容器电抗与一只电阻串联，当开关电源采用APFC电路时，要求APFC变换器输出的滤波电容不仅能承受400V以上的直流高压，而且还必须能通100kHz以上的脉冲电流，这种高频脉冲电流在对电解电容进行充放电的过程中，将会产生大量的热耗损失，并使电解电容温度升高，这种温升的高低，就是ESR技术指标，ESR越小，电容器耐高频脉冲电流的能力越强。

7）高温存储特性。电解电容放在105℃的无负载的环境中，经过720h，再骤降至25℃，电容器的静电容量的变化率在初始值±15%以内；额定电流等于初始规定值；电容的漏电电流不发生明显的改变。

3．铝电解电容的选用

根据开关电源电路各个回路工作区域的不同，结合铝电解电容的功能特性和技术参数，对铝电解电容的选用作如下规定：

1）额定工作电压的确定。对于交流输入用于单个电容器直流滤波，则要求电解电容器的耐压不低于最高输入电压的倍。如果开关电源采用升压式有源功率因数校正（APFC）输出滤波电容器，要求电容器的耐压不低于输入电压最大值的倍。其他用于滤波的电容耐压大于1.2倍的输出电压。

2）电容容量选择计算。滤波用电解电容器的容量大一些，有利于减小直流电压的纹波，对电源桥式整流输出的脉动电压有稳压作用，使开关功率管在工作区域里，发挥最大的脉冲调制和功率驱动作用，其电容容量的大小与输出功率有一定关系，对于5～10W的开关电源，用电解电容按1.47μF/W计算选用；对于10～50W的开关电源，按2.0μF/W的容量计算选用；对于50～100W的开关电源，按2.5μF/W的容量计算选用；对100～150W的开关电源，按3.0μF/W的容量计算选用。值得注意的是，有些开关电源的功率因数和电源的谐波含量达不到技术指标，设计工程师不知所措，其原因就是电源滤波电容容量太小所致。电解电容静电容的允许偏差一般选用±10%，要求高的开关电源可选用±5%。

3）电容器使用温度的考虑。开关电源所有的元器件都处在比较高的温度环境下工作，电解电容属于高发热元件，仅次于振荡变压器和开关功率管，如果电解电容的标称温度选用低了，不但是降低了开关电源技术指标，还使电源的使用寿命大大缩短，严重时将会产生爆炸。因此，从可靠性与安全性考虑，电解电容必须选用-25～105℃的高温型铝质电容。对直径大于8mm的中高压高温型铝电解电容，要求具有防爆结构或防爆装置。

4）漏电流的估算与测试。如果电解电容的漏电流偏大，电容会发生早期失效，开关电源的输出电压偏低，波动加大，这是常见的现象。在选用时，对电容必须进行测试。如果没有电容参数测试仪，可用普通万用表R×1k电阻档进行测量，指针偏离越大，接近“0”停留时间越长，说明电容越大，然后，缓慢回到“∞”位置，距离“∞”位置越近，则漏电流越小，相反漏电流越大。除此以外，还可对电解电容漏电流估算：当电容C=33μF时，其漏电流；当C≥49μF时，V。C是电容容量，单位是μF，V的单位是V。

总之，选择铝电解电容器时要考虑电容的额定容量，其次是耐压，再次是标称温度，最后是漏电流。

凡是能经受住各种试验检验的铝电解电容器，在实际应用中很少会损坏。铝电解电容器在高频电路中的选用类别见表2-16。

2.9.4 固态电容

铝电解电容的电解质是硅酸铝，它的容量、寿命、漏电流受温度影响较大，尤其是开关电源的使用寿命很难突破50000h的主要原因是电解电容的影响。固态电容（Solid Capacitors）的电解质采用的是高分子聚合物，该材料不会与氧化铝发生反应，通电后不会发生爆炸，也不存在受热膨胀而影响电容传递电能或产生爆裂。固态电容具有环保、低阻抗、高低温稳定、耐高脉冲冲击等优点。固态电容的耐温达260℃，且它的导电性、频率特性及电容使用寿命均不受温度影响。它适用于摄像机、工业计算机等领域。

1．固态电容分类

按电容的介质来分，分为有机介质、无机介质和铝电解电容三大类。

1）无机介质电容：包括陶瓷和云母两种。陶瓷固定电容常用在CPU上，也可用在GHz级别的超高频器件上。

2）有机介质电容：例如固体薄膜电容，其特点是容量精度高、耐高温、防潮湿等特点，常用在节能灯开关电源等电子设备上。

3）铝电解电容：电解电容的分类为电解液、二氧化锰、TCNG有机半导体、固体聚合物等。固态电容在我国发展迅速，它可以替换普通的钽电容，应用范围越来越广阔。采用固态电容的计算机，全天候24小时开机它的寿命可达到23年，是一般铝电解电容的6倍多。

2．固态电容结构特点

固态电容采用固态导电高分子材料代替电解液作电容的阴极。导电高分子材料的导电能力比电解液高3～4个数量级，应用这种固态电容可以大大降低等效串联电阻，改善温度频率特性，由于电容结构使用电导率高的材料，在高频下的容抗很低，耗电低，易于提高设备的效率。有机固态电解电容的结构与液态铝电解电容相似，多采用直插立式方式。不同之处在于固态聚合物电解电容的阴极材料用固态有机半导体浸膏替换电解液，在提高各项有关电气性能的同时，有效解决了电解液蒸发、泄漏、易燃等难题。

由于采用了新型的固态电解质，固态电解电容具有液态电解电容无法比拟的优良特性。这些电气性能对于提高电子设备以高频为特征的使用显得尤为重要，可在开关电源得到应用。

3．固态电容的选用

知道了固态电容的各项优良特性后，还需懂得焊接经验，掌握选用元器件的方法，在发现电容有漏液、失效情况时，首先应找到电路导致电容失效的原因，才能更换电容，否则不能彻底解决问题。固态电容的选用方法如下：

1）注意产品的标识标准，固态电容标识：第一部分是产品名称，用字母C表示电容；第二部分标识材料，钽材料为A，铝材料为D；第三部分标识容量；第四部分是耐压。

2）电容的顶部是否有十字形的防爆凹槽。固态电容顶部没有十字形凹槽。

3）注意封装形式：有两种封装形式，一种是直插式封装，另一种是带橡胶底座垂直安装形式。近期松下公司推出的TS-EE系列固态铝电解电容其耐压高达400～450V，将额定的纹波电流降低了1.5倍，有效控制了自身发热，其电容使用寿命可达到92000h。

2.9.5 超级电容器

超级电容器是一种电容量可达数千法拉的极大容量电容器。根据电容器的原理，电容量取决于电极间距离和电极的表面积，为达到这种容量，只有缩小电极间距离，增加电极面积，为此，采用双层和活性炭多孔化电极。电容器双层介质，在电容器的两个电极上施加电压，在靠近电极介质表面上产生的电荷极性相反的电荷被束缚在介质界面上，形成电容器的两个电极；同时，活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积，因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量，并能存储很大的静电能量。超级电容器充、放电速度快，而且容量大，能够用于备用电源、动力电池、相机闪光灯、混合动力电动汽车等各种节能环保领域。

1．超级电容器的特点

1）充电速度快：10min内可充到额定容量的95%以上。

2）大电流放电能力强，大电流能量循环效率大于95%。

3）功率密度高：可达300～6000W/kg，相当于电池的10倍以上，其容量范围为0.1～1000F。

4）超低温性能好：使用温度范围为-40～+80℃，其循环使用寿命高达500万h以上。

2．超级电容器的主要参数

1）寿命：超级电容器的内阻增加，则容量降低。在规定的参数范围内，它的有效使用时间是可以延长的，一般跟它的特点第4条所规定的有关。影响寿命的是活性干涸、内阻加大，存储电能能力下降至63.2%称为寿命终结。

2）电压：超级电容器有一个推荐电压和一个最佳工作电压。如果使用电压高于推荐电压，将缩短电容器的寿命，但是电容器能连续长期工作在过高压状态下，电容器内部的活性炭将分解形成气体，有利存储电能，但不能超过推荐电压的1.3倍，否则将会因电压超高而损坏超级电容器。

3）温度：超级电容器的正常操作温度是-40～70℃。温度与电压是影响超级电容器寿命的重要因素。温度每升高5℃，电容器的寿命将下降10%。在低温下，提高电容器的工作电压，电容器的内阻不会上升，可提高电容器的使用效率。

4）放电：在脉冲充电技术里，电容内阻是重要因素；在小电流放电中，容量又是重要因素，用公式表达如下：

式中，Vdrop是起始工作电压与截止工作电压之差；I是放电电流；R是电容器的直流内阻；t是放电时间；C是电容容量。

为降低电压跌落，需选用大容量超级电容器。

5）充电：电容充电有多种方式，如恒流充电、恒压充电、脉冲充电等。在充电过程中，在电容回路串接一只电阻，将降低充电电流，提高电池的使用寿命。电池不允许瞬间大电流放电，一只超级电容器并接在电池的充电电流计算公式如下：

Im=VW/（5RC）

式中，Im是推荐最大充电电流；VW是充电电压；RC是电容的直流内阻。

持续采用大电流、高电压充电将影响电容寿命。

3．超级电容器的选用

超级电容器是一种新能源装置，它有两个应用指标：一是高功率脉冲，二是瞬时功率保持。下面是两种计算公式和应用实例：

1）瞬时保持所需的电能：

2）减少电能能量：

式中，Vwrok为正常工作电压；Vmin为最低输入电压。

超级电容器的容量：C=（Vwork+Vmin）It/（Vwrok-Vmin）

式中，I为电路维持电流；t为维持时间。

例如，有一充电设备，用超级电容器作备用电池，若超级电容器的维持电流I=0.1A=100mA，维持时间t=10s，最低输入电压Vmin=4.2V，工作电压Vwork=5V。计算充电设备需配多大的超级电容器容量C。

根据上述容量计算公式：

C=（5+4.2）×0.1×10/（5-4.2）F=11.5F

根据计算结果，可选用6V、11.5F电容。