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电容知识合集

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世界上第一个电容器,在莱顿城发明,所以称之为莱顿瓶。
莱顿瓶就是一个玻璃瓶,玻璃瓶的外侧和内侧都有锡箔,内部锡箔通过金属链连接到瓶口。锡箔就相当于两个平板,通过玻璃瓶隔开。
刚开始,科学家们以为是封闭的瓶子存储了电荷,后来发现,就算只有两块平板,只要让他们不接触,就能储存电荷。


(1)电容的定义

其中,E是指两平板间的电场,d是指两平板间的距离,A是平板的面积,σ是指平板上单位面积上的电荷。
电容定义为有限电势差下所能容纳的电荷量。
所以,我们可以了解到:
  • 平板的面积越大,电容越大。这符合我们的直观理解,平板面积越大,能储存的电荷就越多。

  • d越小,电容越大。这可以这样理解,两板上正负电荷之间的吸引力越大,就能容纳更多的电荷。库仑定律告诉我们,两个电荷之间的作用力与两者之间距离的平方成反比,所以d越小,吸引力越大。

  • 两板之间填充介质材料,可以增加电容。两板上的正负电荷会在两板间产生电场,如果两板间有介质材料,则介质材料就会被电极化。介质中产生与原来电场方向相反的场,电容中间的总场变小,两板间的电势差变小,电容变大。





(2)电容的工作原理
在电容的两端,加上一电池。因为电子总是流向高电势,所以当电池连通时,电势低的导电平板上的电子就会被吸引走,而另一平板上则会吸引电子。因此,平板中一端开始带正电荷,另一端开始带负电荷。
当电容两端的电势分别和电池两端的相等时,电子的运动停止,此时电容的两端平板分别带有同等容量的正电荷和负电荷。
为什么是同等容量呢?是因为电荷守恒定律,就是说,电荷总量永远保持不变,一个物体产生负电荷,同时,肯定在其他地方有同等量的正电荷产生。

再从宏观上来看一下这个过程:
  • 在往电容两端施加直流电源的瞬间,会有电流通过;而当电容两端的电势差等于直流电压时,电流为0,此时电容充电完成。

  • 电容充电完成后,拿走电源。由于正负电荷之间的电场力的作用,加上两板之间的介质材料,电子无路可去,正负电荷依然待在平板上,这个现象,即为储能。

  • l电容的两端加一个负载,此时,电子会沿着这条新路径,流经负载,去正电荷那。等到同等容量的正负电荷中和为中性粒子时,电容两端的电势差变为0,电容放电完成。





当给电容两端加一交流电源是,电子则不断地重复这样一个步骤:
从平板1流向电源,从电源流向平板2;从平板2流向电源,从电源流向平板1,电路中会产生交流电流。电子没有通过平板间的介质内部,而是在外部电路上运动,产生交流电流,这个现象,即为电容能通交流。

电子的运动,导致平板中的电荷发生变化,Q=CV=CEd,导致平板间的场发生变化,即表征为位移电流。

(3)电容的Q值
电容的Q值公式如下图所示:
Q值一般是指电路中存储的能量与消耗的能量的比值。所以就很容易理解上述的公式。一般电抗储存能量,电阻消耗能量。
从上面的公式中,可以得到以下几点结论:
  • ESR为0时,Q值为无穷大,而理想电容没有ESR,所以其Q值无限大

  • Q值与频率和容值均相关,比较两种电容Q值时,需频率和容值均一致,才有可比意义

  • 固定容值的电容,其Q值随频率升高而降低





(4)电容的DC偏置特性和温度特性
电容的DC偏置特性,是指在电容上施加直流电压时,电容的容量会减小。
电容的温度特性,是值温度变化时,电容的容量也会发生变化。

在LDO的手册上,会对其的输出电容的容值有规定,以避免振荡。

所以,在选择电容时,要考虑其温度和DC-bias曲线。
比如说村田的GRM21BR61D106KE15,发现其容值在有直流电压的情况下,几乎是成线性下降,10uF的电容,在DC bias为12V的时候,降到2uF。

以上两种特性,比较严重的,一般是使用高介电常数钛酸钡(BaTiO3)的陶瓷电容器;而使用低介电常数的二氧化钛(TiO2)的陶瓷电容器,则容值受温度和直流电压影响都比较小。

要知道所选型电容的这两种特性,可以去厂家的官网上去查看。一般手册上也会有相应曲线。
村田的选型工具上,也都有这些曲线。

(5)电容值的频率特性

在村田的选型工具中,会发现电容的值,随着频率的升高而增大。发生这个现象的原因,主要是电容的寄生效应,上图中的电容值,是指器等效电容值。
所以,由于寄生电感的存在,随着频率的升高,C会逐渐变大。

(6)陶瓷电容的实际制作
由电容的定义可知,要获得大的电容值,就需要在3个方面下功夫,分别为平板面积A,平板间的距离d,填充介质的介电常数ε。
而陶瓷电容则是在这三个方面下足了功夫:
  • 其内电极两两交叉,显著增加了接触面积A

  • 内电极之间的距离很小,降低了d

  • 填充高介电常数的介质,增加了ε




比如说,村田使用的介电材料钛酸钡(BaTiO3),其相对介电常数提高到了3000左右,而介质厚度已经达到了0.5um。虽然这种材料温度特性和DC-bias特性稍差,但是其容值可以做的很高,因为3000的介电常数在那。
为了制作出一个陶瓷电容,一般需要以下几个步骤:
  • 对卷状介电体板涂金属焊料,以作为内部电极。不同层的内部电极,需要错位,要不然加上外电极后,会短路。这边的金属焊料就相当于PCB板的铜皮,介电体板相当于中间介质

  • 将涂完内部电极的介电体板重叠在一起

  • 把层叠板压合在一起

  • 把压合完的层叠板按封装要求切割成相应尺寸

  • 用高温(1000~1300度)对切割完的料块进行焙烧,使陶瓷和内部电极成为一体

  • 料块两端涂金属焊料,作为外部电极,并用高温(800度)烧结

  • 外部电极表面电镀镍和锡

  • 测量电容的电气特性,包装

(7)电容的焊接问题
电容尺寸开始越来越小型化,现在最小的已是01005,尺寸只有0.4mm×0.2mm,比芯片管脚还要小。
在电容贴装的时候,经常会发生偏移,翘立或者竖立的现象。这些现象,通常是由于作用于左右两边电极的张力不平衡。
左右焊盘的尺寸不一致,或者左右焊盘上的锡量不相同,或者贴装机贴装的元器件位置偏移严重,或者回流焊时左右两极的温差不一致,这些都会造成左右两边电极的张力不平衡。
所以,我们在使用电容时,需要做到:
  • PCB设计时,按照推荐的电容封装尺寸进行设计,并保证两边的焊盘对称;

  • 焊锡越厚,对电极的张力越大;所以在保证可靠性的前提下,尽量减少焊锡用量,并保证左右焊盘上的锡量一致;

  • 尽量保证贴片精度;

  • 按照推荐的回流温度曲线,合理设置预热段,减小炉内的温差;



来源:加油射频工程师
电源电路电子芯片焊接电场材料储能
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首次发布时间:2023-06-03
最近编辑:1年前
加油射频工程师
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