薄膜電容、陶瓷電容、鉭電容和電解電容器，這些電容器各有什么不同，在使用時(shí)應(yīng)該注意什么？本文對幾種不同的電容器進(jìn)行了比較，并分享了多名美國工程師使用電容器的經(jīng)驗(yàn)......

不要以為設(shè)計(jì)中的簡單無源元件不會(huì)帶來麻煩。像電容器這樣的簡單元件就可能會(huì)帶來極大的問題。模擬大師Bob Pease（圖1）1982年曾寫過一篇有關(guān)電容器介質(zhì)靜電荷（capacitor soakage）的文章，他討論的原則在39年后仍然有效。

圖1：Bob Pease早在1982年就警告我們要注意電容器介質(zhì)靜電荷問題。他的擔(dān)心如今仍然存在。

Pease描述的介質(zhì)靜電荷問題就像電容器的記憶效應(yīng)。如果對高電壓電容器進(jìn)行放電，則移除短路時(shí)，電容器上的電壓會(huì)回彈。介質(zhì)靜電荷的另一個(gè)名稱是介電吸收，它提示電容器中的絕緣電介質(zhì)吸收了電荷，并且電荷被“困”在電介質(zhì)中。它無法放電，因此電壓再次出現(xiàn)。這并不奇怪，駐極體麥克風(fēng)的工作原理是使介電層有意保留電荷。浸潤可能會(huì)對高壓電動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的電容器造成電擊危險(xiǎn)，還會(huì)對信號處理應(yīng)用造成嚴(yán)重破壞，因?yàn)殡姾纱鎯?chǔ)在電容器中，而電容器是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一部分。存留的電荷是產(chǎn)生誤差的直接因素，會(huì)給出錯(cuò)誤的測量讀數(shù)。

我有一個(gè)朋友在一家ADSL公司工作，他們的線卡用于電話公司的局端。這些卡是的電話公司硬件，DSL調(diào)制解調(diào)器與這些卡進(jìn)行通信。DSL在使用中會(huì)分配大量的頻格（Frequency Bin）。線卡測量進(jìn)入房屋的雙絞線阻抗，然后適應(yīng)進(jìn)入房屋的特定雙絞線的特定阻抗曲線。線卡原型工作很正常。然后工程師將振鈴信號加到線路上，就像電話響了一樣。DSL線卡和調(diào)制解調(diào)器會(huì)解除鎖定，然后重新協(xié)商連接，盡管兩者之間的線路沒有任何變化。電話振鈴信號約為交流90V。這個(gè)大電壓在線卡電路的某些電容器中產(chǎn)生了介電吸收，線卡感應(yīng)到阻抗變化，因而解除鎖定并重新協(xié)商。當(dāng)我的朋友認(rèn)識到這一點(diǎn)，然后換上低浸潤電容器，問題就消失了。

盡管電容的原理圖符號很簡單，但實(shí)際上電容器有許多不同的結(jié)構(gòu)（圖2）。為了得到最大電容值，電容器制造商制造具有箔片和液體電介質(zhì)的鋁電解電容器。這種結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問題：電解電容器會(huì)產(chǎn)生極化，同時(shí)可靠性很差。如果在正極端子上施加一個(gè)負(fù)電壓，則電容器會(huì)被爆炸，而且爆炸力很強(qiáng)。這就是為什么在對原型開機(jī)和進(jìn)行故障排除時(shí)應(yīng)戴上安全眼鏡的原因，哪怕技工能夠保證所有電容器焊接正確。

圖2：電容器的種類很多，包括薄膜、陶瓷、鉭和電解電容器。（圖片來源：維基百科）

鉭電容器也有較高的電容值，并且也會(huì)極化。像電解電容器一樣，鉭電容器的可靠性比任何其他組件都要差幾個(gè)數(shù)量級，電位計(jì)可能除外。如果要求高可靠性，則可使用濕塞式軍用規(guī)格鉭電容器來替代，這些電容器比較貴。還要注意的是，發(fā)熱會(huì)使一切變得更糟，即使在室溫環(huán)境下，流入這些大容量電容器的電流也會(huì)使它們變得很熱。

如今許多工程師都將陶瓷電容器視為理想的電容器，但事實(shí)并非如此。現(xiàn)在其最大值為幾百μF，但是這些大容量電容器的溫度系數(shù)很差，因此電容值會(huì)隨溫度波動(dòng)而明顯變化。為了獲得溫度穩(wěn)定性，必須使用NPO或COG電介質(zhì)，而這些電介質(zhì)的電容值要小得多，從幾pF到幾千pF。由于額定電壓更高的電容器需要其電板之間的距離更大，所以尺寸、電壓和電容值是直接相關(guān)的。如果需要高壓大容量電容器，則必須接受它的物理尺寸更大這一事實(shí)。

陶瓷電容器的另一個(gè)問題是會(huì)產(chǎn)生噪音。我的另一位朋友設(shè)計(jì)了一個(gè)60W的LED燈泡。他知道如果要讓電源的可靠性與LED發(fā)射器的可靠性相當(dāng)，必須取出所有電解電容器。他找到了一些大容值陶瓷電容，但發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)光電路調(diào)到音頻范圍開關(guān)頻率時(shí)，這些電容會(huì)“尖叫”。陶瓷電容器也有顫噪效應(yīng)。如果敲一下信號路徑上的陶瓷電容器，會(huì)看到示波器上的信號急劇跳變。

我曾為軍事承包商工作，他們總是備有全套的云母電容器。這些都是低損耗的電容器，在介電吸收和溫度方面近乎完美，但為此也付出了代價(jià)，即尺寸大、容值小。另一種選擇是纏繞或堆疊薄膜電容器。薄膜電介質(zhì)幾乎沒有浸潤，且溫度系數(shù)適中。它們與相關(guān)的聚丙烯電容器的另一個(gè)好處是會(huì)自我修復(fù)，就像信得過的老式Orange Drop電容器一樣。如果高壓擊穿了絕緣膜，則被擊穿的膜將局部熔化并保護(hù)電容器的其余部分。其電容值幾乎完全相同，并且故障不是短路或開路。

電容器的關(guān)鍵參數(shù)是其內(nèi)部阻抗，這既是等效串聯(lián)電感（ESL）又是等效串聯(lián)電阻（ESR）。完美的電容器根本不存在，而且完美還可能帶來麻煩。許多開關(guān)電源架構(gòu)都依賴輸出電容器的ESR。ESR可提供與流入電容的電流成比例的小信號，控制芯片在反饋電路中使用此信號。因此，用可靠性更高的陶瓷電容器代替電解電容器可能只會(huì)使電源在部分或全部負(fù)載下發(fā)生振蕩。大多數(shù)電源芯片的數(shù)據(jù)表中都會(huì)清楚說明是否可以使用陶瓷輸出電容器。確保利用Spice仿真對所用電容器的ESL和ESR建模。

最極端的電容器是超級電容器，電容值達(dá)到幾個(gè)法拉，但通常電壓較低。你可以將超級電容器視為電池，它們具有三個(gè)重要優(yōu)勢。首先，它們的使用壽命不會(huì)減短，即使充電和放電10,000次，其電容值和性能都不會(huì)改變；超級電容器的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們的內(nèi)部阻抗較低（圖3），就是我們提到的ESL和ESR。這意味著其充電速度和放電速度都很快，例如可以驅(qū)動(dòng)照相機(jī)閃光燈或電源電路的初始升壓充電；第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以將超級電容器一直放電至零伏，釋放所有能量，而鋰離子電池只能從4.2V放電至3.3V（圖4）。

圖3：左上方的超級電容器無法提供與右側(cè)的電池同樣多的能量，但是其內(nèi)部阻抗較低，因此可以提供更大的瞬時(shí)功率。（圖片來源：維基百科）

圖4：超級電容器可以一直放電到零伏，其內(nèi)部阻抗較低，可以快速充電和放電。（圖片來源：維基百科）

維基百科很好地描述了電容器及其類型。一定要向有經(jīng)驗(yàn)的老工程師及應(yīng)用工程師了解電容器及電容器的不同。我看到過一個(gè)關(guān)于PCB車間的話題，一個(gè)中國組裝廠說服工程師將其所有被動(dòng)器件替換為中國廠商的器件。這個(gè)決定非常魯莽，除非你花時(shí)間找出幾十個(gè)這些零件，并評估其性能隨時(shí)間和溫度的變化情況。當(dāng)電容器發(fā)生故障或不能保持其電容值時(shí)，電路就會(huì)斷開，就好像某些IC燒毀一樣。一定要從主流分銷商那里購買電容器，因?yàn)樗麄兊膸齑娑际莵碜?a target="_blank">知名制造商的高質(zhì)量產(chǎn)品。

關(guān)于電容器，其他工程師在自己的職業(yè)生涯中又發(fā)生了怎樣的故事呢？

@JohnCSr

陶瓷SMD電容器也有巨大的電壓降額，降額系數(shù)高達(dá)80％，可能看起來是10μF，實(shí)際上是2μF。這個(gè)問題通常可以用工作電壓較高的大電容來解決。另一個(gè)問題是電容值大、尺寸小的SMD電容器的物理開裂，這可能與焊接過程中的熱應(yīng)力有關(guān)。大多數(shù)時(shí)候它們會(huì)開路，也有可能短路?，F(xiàn)在已經(jīng)有電容器可以提供更好的電壓降額和抗斷裂性能。

@ Paul.Rako（本文作者）

“非常精彩的分享，JohnCSr。當(dāng)我為一家軍事承包商工作時(shí)，我不想相信可靠性準(zhǔn)則，但是測試實(shí)驗(yàn)室的人向我保證，降額對于保證電容器的壽命至關(guān)重要。他們還教我，密封的元件壽命更長。你對熱應(yīng)力的觀察十分準(zhǔn)確。我記得一個(gè)測試技術(shù)員曾微笑著說他可以用-55°C至+ 125°C的熱沖擊破壞我設(shè)計(jì)的任何產(chǎn)品。我相信他說的。我們看到的另一件事是，在溫度變化的情況下，軟灌封并沒有使元件破裂，但也沒有散去太多熱量。工程是很難的，這一點(diǎn)毋庸置疑。

@ Hooey0

我們最近發(fā)生了10μF/ 16伏陶瓷芯片電容器用來過濾5伏電壓的故障。短路了，在此過程中還弄壞了其他一些元件。這個(gè)電容器以及CCA上的其他10個(gè)類似的電容器已經(jīng)用了5年多，所以我們沒什么好抱怨的。隨機(jī)故障有可能發(fā)生，但是只要制造商的要求和規(guī)范都嚴(yán)格遵守，這類故障只是偶然現(xiàn)象。對于鉭電容器，我通常會(huì)使用內(nèi)部帶保險(xiǎn)絲的，如果電容器發(fā)生短路故障，保險(xiǎn)絲就會(huì)燒斷而斷開電容器。我總是會(huì)增加額外的電容器，所以即使有一個(gè)電容器壞了，也不會(huì)引起很大的濾波損失。這些電容器要貴一些，但如果可靠性高，那也值了。

@ Brian park

“還有更糟糕的事，即電容器化學(xué)成分中存儲(chǔ)的能量！我有一個(gè)機(jī)器人，其音量指示器中有一個(gè)鉭“orange drop”10μF 20V旁路電容器，嵌在塑料機(jī)器人內(nèi)。事實(shí)證明，鉭是一種非常易燃的金屬，一旦著火，幾乎沒有任何辦法可以將其撲滅（“D”類火）。開機(jī)不到一秒鐘的時(shí)間，鉭電容就燒起來了，一英尺高的火焰持續(xù)了足足20秒！我很想弄清火是怎樣燒起來的，于是在一個(gè)類似的泡沫物體上進(jìn)行測試，想用液化氣來點(diǎn)燃這種火。不行！在拿走點(diǎn)火器后的1秒鐘內(nèi)，火就熄了。我掏出指示器面板，看到電容器的剩余部分（2根導(dǎo)線從燒焦的板上伸出）。這顆電容器直徑1/4英寸、長1/4英寸，火就是它引起的。該電容器已經(jīng)有20多年了，但在12V的偏壓下只用了大約1000個(gè)小時(shí)，并且還是在“室內(nèi)控制”的溫度下。PTC是否可以防止電流尖峰從而避免引起這種燃燒？（這個(gè)機(jī)器人在制造時(shí)還沒有PTC）。

我用點(diǎn)火器測試了這些“orange drop”，當(dāng)它們達(dá)到亮黃色時(shí)，溫度突然升高至白色，持續(xù)10~20秒。密封的150D軍用電容器的陽極也會(huì)點(diǎn)燃，但這通?？梢酝ㄟ^電解液沸騰、外殼破裂來防止，使溫度在達(dá)到燃點(diǎn)之前斷開連接。

@ salbayeng

“鉭的自燃有一個(gè)名字：場結(jié)晶（field crystallisation）。我曾有一個(gè)頻譜分析儀燒了（當(dāng)然是在開機(jī)的時(shí)候），整個(gè)屋子里“煙霧彌漫”。我費(fèi)了好大力氣才找到燒了的電容器并把它換了（它是5v電壓軌上的幾個(gè)電容器之一，藏得很深了）。當(dāng)我從分析儀中拉出一個(gè)黃銅盒子時(shí)，聽到它發(fā)出嘎嘎的響聲，我擰下一百多顆螺釘，發(fā)現(xiàn)里面有大約十二個(gè)鉭電容器（可能這樣子已經(jīng)有好幾年了?。?/p>

@ Paul.Rako

“對于將鉭電容叫做“Orange Drop”，我確實(shí)不太理解，那是經(jīng)典的Sprague薄膜電容器的實(shí)際品牌名稱，在硅谷我們將鉭電容稱為“Lemon Drop”。的確許多測試設(shè)備都使用了鉭電容，似乎這些鉭電容用了15年左右的時(shí)間都爆炸了。至少它們不會(huì)像鋁電解電容一樣泄漏，鋁電解液會(huì)腐蝕板上的走線。

我在文章中漏了一件事，就是應(yīng)該放保險(xiǎn)絲、斷路器或熔斷體（細(xì)線），為任何電解電容或鉭電容提供一條窄PCB走線。@Hooey講了大容值的陶瓷電容怎樣出現(xiàn)了短路故障，所以可以對所有大容值電容器使用保險(xiǎn)。

@ cmq0

文章中也沒提及消費(fèi)類設(shè)備中經(jīng)常使用的不符合標(biāo)準(zhǔn)的鋁電解電容。我修好了一些顯示器，替換其中的一些垃圾電容。我剛修好了一臺CyberPower UPS，一只松鼠碰到高壓電源線后，UPS就不能啟動(dòng)了。CyberPower使用的是質(zhì)量垃圾透頂?shù)碾娙荩挥昧?年就出問題了。一共有42個(gè)電容，其中一半以上具有較高的ESR，有些超過100歐姆。在使用高質(zhì)量的電容更換所有電解電容之后——垃圾電容的價(jià)格和高質(zhì)量電容的價(jià)格差可能低于5美元——UPS又可以用了。

@ Brian park

文章中未提及的是鉭“干”電容器（例如常見的“Orange Drop”電容器）燒起來的危險(xiǎn)。當(dāng)它們使用時(shí)間長了，發(fā)生短路，就會(huì)燃起來！鉭極度易燃，是“D類”火（即燃燒金屬，最嚴(yán)重的火災(zāi)）。我點(diǎn)燃了其中一個(gè)（高1/4英寸，直徑3/16英寸），產(chǎn)生了3英尺高的火焰，燒了整整30秒！

編輯：hfy