作者：Rick Wiens，首席應(yīng)用工程師

發(fā)布者：DigiKey

介紹

截至撰寫本文時(shí)，保守估計(jì)顯示 DigiKey 的庫(kù)存電容器有超過 37,000 個(gè)唯一制造商部件號(hào)，如果包括包裝變型則為 114k。僅僅維護(hù)這種 SKU 數(shù)量就需要大量的文書工作、大量的叉車?yán)锍桃约按罅颗c實(shí)物庫(kù)存相關(guān)的現(xiàn)金。能夠在收到訂單后短短 15 分鐘內(nèi)對(duì)這些產(chǎn)品進(jìn)行重新包裝并將其送至裝貨碼頭準(zhǔn)備裝運(yùn)，這堪稱現(xiàn)代工業(yè)的一個(gè)小奇跡。為什么要在簡(jiǎn)單的兩端元件上花費(fèi)如此多的精力？電壓和電流額定值的組合當(dāng)然是一個(gè)因素，但更微妙的原因是電容器并不是那么簡(jiǎn)單。我們用來表示它們的示意性符號(hào)是為了方便而省略的，以及一些模糊的細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)通常a）相當(dāng)重要，b）在學(xué)術(shù)界沒有得到很好的對(duì)待。有些類型在故障或誤用時(shí)往往會(huì)劇烈燃燒或釋放有毒蒸氣。其他類型會(huì)因廢棄而減弱，并且在其額定極限內(nèi)的壓力下可能會(huì)失效。有些類型隨著環(huán)境和應(yīng)用變量的變化表現(xiàn)出廣泛的參數(shù)變化，而其他類型則或多或少被忽視。做出明智的設(shè)計(jì)選擇需要意識(shí)到并考慮這些不同的品質(zhì)。該資源的目的是為讀者提供易于吞咽膠囊中的電容器技術(shù)指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。其他類型會(huì)因廢棄而減弱，并且在其額定極限內(nèi)的壓力下可能會(huì)失效。有些類型隨著環(huán)境和應(yīng)用變量的變化表現(xiàn)出廣泛的參數(shù)變化，而其他類型則或多或少被忽視。做出明智的設(shè)計(jì)選擇需要意識(shí)到并考慮這些不同的品質(zhì)。該資源的目的是為讀者提供易于吞咽膠囊中的電容器技術(shù)指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。其他類型會(huì)因廢棄而減弱，并且在其額定極限內(nèi)的壓力下可能會(huì)失效。有些類型隨著環(huán)境和應(yīng)用變量的變化表現(xiàn)出廣泛的參數(shù)變化，而其他類型則或多或少被忽視。做出明智的設(shè)計(jì)選擇需要意識(shí)到并考慮這些不同的品質(zhì)。該資源的目的是為讀者提供易于吞咽膠囊中的電容器技術(shù)指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。該資源的目的是為讀者提供易于吞咽膠囊中的電容器技術(shù)指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。該資源的目的是為讀者提供易于吞咽膠囊中的電容器技術(shù)指南，并采用（希望）不昏昏欲睡的配方。

什么是電容器？

[電容器]是以電場(chǎng)形式存儲(chǔ)電能的設(shè)備。該過程與機(jī)械彈簧以彈性材料變形的形式存儲(chǔ)能量的方式非常相似，除了所使用的變量之外，描述兩者的數(shù)學(xué)也非常相似。事實(shí)上，這種相似性可能是電氣或機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)生經(jīng)常發(fā)現(xiàn)其他人的研究晦澀難懂的部分原因。 “v”對(duì)于電氣工程師 (EE) 來說意味著“電壓”，但對(duì)于機(jī)械工程師 (ME) 來說意味著“速度”，他們對(duì)彈簧的表示對(duì)于 EE 來說可能看起來很像電感器等。平行板電容器的概念是通常用作解釋大多數(shù)實(shí)用電容器結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)。它由兩個(gè)彼此平行放置并由絕緣體隔開的導(dǎo)電電極組成，絕緣體通常是幾種聚合物、陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或有時(shí)是真空中的一種。當(dāng)極板之間的間隔距離相對(duì)于其面積較小時(shí)，這種電容器的值（對(duì)于具有機(jī)械思維的人來說，本質(zhì)上是“彈簧常數(shù)”）可通過圖 1 中的公式進(jìn)行近似。然而，應(yīng)該注意的是，按照慣例，機(jī)械彈簧常數(shù)和電容器值用尺寸倒數(shù)表示；機(jī)械彈簧常數(shù)通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫(kù)侖每伏特）來表示。陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或偶爾為真空。當(dāng)極板之間的間隔距離相對(duì)于其面積較小時(shí)，這種電容器的值（本質(zhì)上是機(jī)械愛好者的“彈簧常數(shù)”）可通過圖 1 中的公式進(jìn)行近似。然而，應(yīng)該注意的是，按照慣例，機(jī)械彈簧常數(shù)和電容器值用尺寸倒數(shù)表示；機(jī)械彈簧常數(shù)通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫(kù)侖每伏特）來表示。陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或偶爾為真空。當(dāng)極板之間的間隔距離相對(duì)于其面積較小時(shí)，這種電容器的值（本質(zhì)上是機(jī)械愛好者的“彈簧常數(shù)”）可通過圖 1 中的公式進(jìn)行近似。然而，應(yīng)該注意的是，按照慣例，機(jī)械彈簧常數(shù)和電容器值用尺寸倒數(shù)表示；機(jī)械彈簧常數(shù)通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫(kù)侖每伏特）來表示。當(dāng)板之間的間隔距離相對(duì)于其面積較小時(shí)，可通過圖 1 中的公式進(jìn)行近似。然而，應(yīng)該注意的是，按照慣例，機(jī)械彈簧常數(shù)和電容器值用尺寸倒數(shù)表示；機(jī)械彈簧常數(shù)通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫(kù)侖每伏特）來表示。當(dāng)板之間的間隔距離相對(duì)于其面積較小時(shí)，可通過圖 1 中的公式進(jìn)行近似。然而，應(yīng)該注意的是，按照慣例，機(jī)械彈簧常數(shù)和電容器值用尺寸倒數(shù)表示；機(jī)械彈簧常數(shù)通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫(kù)侖每伏特）來表示。機(jī)械彈簧常數(shù)通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫(kù)侖每伏特）來表示。機(jī)械彈簧常數(shù)通常以每單位位移的力（例如牛頓每米或磅力每英寸）來表示，而電容值以每單位力的位移（即庫(kù)侖每伏特）來表示。

圖 1：平行板電容模型。

實(shí)際上，板不必是平的；也可以是平的。卷起、折疊、弄皺、堆疊、切片、切丁和切絲的幾何形狀也可以工作，盡管隨著幾何形狀變得更加復(fù)雜，所涉及的數(shù)學(xué)可能會(huì)變得相當(dāng)混亂。那么，要制作更大的電容值，可以使用更大面積的極板、減小間隔距離（即介電材料的厚度）或增加材料的介電常數(shù)。搞亂 ε0 幾乎需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)替代宇宙，這在政治領(lǐng)域之外是一件相當(dāng)困難的事情。但這個(gè)“介電常數(shù)”到底是什么？很好的問題；它本質(zhì)上是材料的一種特性，描述了它們?cè)谑┘与妶?chǎng)的情況下通過多種機(jī)制中的任何一種變得電極化的能力。這些機(jī)制可能是在原子水平上，其中原子核周圍的電子云被移位，導(dǎo)致原子的一側(cè)帶有輕微的正電荷，而另一側(cè)帶有相應(yīng)的負(fù)電荷。它也可以在分子水平上發(fā)生，這是由于電極分子的方向響應(yīng)于施加的場(chǎng)而變化，或者通過分子內(nèi)原子之間的鍵的彎曲和拉伸，非常類似于機(jī)械彈簧中的材料彎曲或拉伸。如果原子情況下的電子不會(huì)“吹走”并與相鄰的原子核重新結(jié)合，并且在分子情況下分子不會(huì)被電場(chǎng)力撕裂，則該材料將起到絕緣體的作用；當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，它不支持持續(xù)的電荷流動(dòng)，盡管當(dāng)由于原子周圍電子的移動(dòng)或分子的重新定向/扭曲而建立電場(chǎng)時(shí)，它確實(shí)有效地允許一些電荷流動(dòng)。去除所施加的電場(chǎng)可以使電介質(zhì)中的電子恢復(fù)到其所附著的原子核周圍的正常分布，或者使物質(zhì)中的分子恢復(fù)到其原始的隨機(jī)方向或形狀。在此過程中，施加電場(chǎng)時(shí)流過電容器的大部分電荷返回到電路，以相反的方向流動(dòng)。材料的（相對(duì)）介電常數(shù)描述了材料促進(jìn)這種暫時(shí)電流流動(dòng)的程度（相對(duì)于真空的程度）。對(duì)于給定面積、間隔距離和施加場(chǎng)強(qiáng)，允許與真空相同量的電荷轉(zhuǎn)移的材料的介電常數(shù)為 1。允許兩倍于真空的電荷轉(zhuǎn)移的材料的介電常數(shù)為 2，等等不同電容器類型的細(xì)微差別在很大程度上取決于所用電介質(zhì)的特性以及給定器件的構(gòu)造方法。所有介電材料都有局限性，包括給定材料厚度下它們可以承受的最大應(yīng)用場(chǎng)、介電常數(shù)、介電材料和電極中發(fā)生的損耗以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)。間隔距離和施加的場(chǎng)強(qiáng)的介電常數(shù)為 1。允許兩倍于真空的電荷轉(zhuǎn)移的材料的介電常數(shù)為 2，等等。不同電容器類型的細(xì)微差別在很大程度上取決于特性所使用的電介質(zhì)以及構(gòu)造給定器件的方法。所有介電材料都有局限性，包括給定材料厚度下它們可以承受的最大應(yīng)用場(chǎng)、介電常數(shù)、介電材料和電極中發(fā)生的損耗以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)。間隔距離和施加的場(chǎng)強(qiáng)的介電常數(shù)為 1。允許兩倍于真空的電荷轉(zhuǎn)移的材料的介電常數(shù)為 2，等等。不同電容器類型的細(xì)微差別在很大程度上取決于特性所使用的電介質(zhì)以及構(gòu)造給定器件的方法。所有介電材料都有局限性，包括給定材料厚度下它們可以承受的最大應(yīng)用場(chǎng)、介電常數(shù)、介電材料和電極中發(fā)生的損耗以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)。不同電容器類型的細(xì)微差別在很大程度上取決于所用電介質(zhì)的特性以及給定器件的構(gòu)造方法。所有介電材料都有局限性，包括給定材料厚度下它們可以承受的最大應(yīng)用場(chǎng)、介電常數(shù)、介電材料和電極中發(fā)生的損耗以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)。不同電容器類型的細(xì)微差別在很大程度上取決于所用電介質(zhì)的特性以及給定器件的構(gòu)造方法。所有介電材料都有局限性，包括給定材料厚度下它們可以承受的最大應(yīng)用場(chǎng)、介電常數(shù)、介電材料和電極中發(fā)生的損耗以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)。它們的介電常數(shù)、電介質(zhì)材料和電極中發(fā)生的損耗，以及當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)流過或“泄漏”通過電介質(zhì)的電流量。它們的介電常數(shù)、電介質(zhì)材料和電極中發(fā)生的損耗，以及當(dāng)施加的電場(chǎng)恒定時(shí)流過或“泄漏”通過電介質(zhì)的電流量。

電容器的非理想特性

對(duì)于許多用途，實(shí)際電容器可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的集總元件模型來表示，該模型由理想電容器和幾個(gè)附加組件組成。

血沉

等效串聯(lián)電阻（用R esr表示在圖 2 所示的模型中）描述了與通過電容器移動(dòng)電荷相關(guān)的損耗。電極和引線材料的電阻是一個(gè)影響因素，介電材料本身內(nèi)發(fā)生的損耗也會(huì)發(fā)生，并且通常占主導(dǎo)地位。 ESR 與電容器選擇的相關(guān)性是雙重的：1) 它影響電容器的交流響應(yīng)，2) 由于熱限制，它對(duì)允許流過電容器的交流電流量施加限制。與任何其他電阻器一樣，電流流過電容器的 ESR 會(huì)導(dǎo)致 I2R 損耗，從而導(dǎo)致電容器內(nèi)的溫度升高，從而縮短器件的使用壽命。 ESR 受器件類型和結(jié)構(gòu)的影響，也不同程度地受溫度和測(cè)試頻率的影響。在很多情況下，電容器的 ESR 并不直接在數(shù)據(jù)表中給出，而是以 Q、耗散因數(shù) (DF) 或 Tan δ 等匯總數(shù)字的形式進(jìn)行傳達(dá)。所有這些都是電容器的 ESR 和容抗的商 (XC ) 表達(dá)方式不同。 Tan δ 和耗散因數(shù)的計(jì)算公式為 ESR/X C ，本質(zhì)上是相同的數(shù)字，但應(yīng)注意耗散因數(shù)通常以百分比表示，而不是簡(jiǎn)單的無量綱因數(shù)。 Q 只是 Tan δ 的倒數(shù)，或 X C /ESR。

圖 2：典型的電容器符號(hào)與包含建模為集總元件的非理想屬性的原理圖對(duì)比。

英語作為第二語言

等效串聯(lián)電感源自器件引線的部分自感、因電路內(nèi)器件引線的幾何形狀而形成的線圈等。在集總模型近似中，ESL 由理想電感器 (L esl )表示：與理想電容器串聯(lián)（C nom ) 代表器件的標(biāo)稱電容值。 ESL 與電容器選擇的相關(guān)性主要在于其對(duì)交流響應(yīng)的影響。正如集總模型所示，實(shí)際電容器的行為類似于串聯(lián) LCR 電路。隨著所施加的交流電壓的頻率增加，ESL 的感抗增加到等于器件的容抗的點(diǎn)，并且電容器表現(xiàn)為電阻器。在高于該點(diǎn)的頻率下，電容器實(shí)際上是一個(gè)電感器。

泄漏

漏電流被建模為與集總模型中的理想電容器并聯(lián)的相對(duì)較大值的電阻器。這是因?yàn)殡娙萜鲀?nèi)使用的介電材料不是完美的絕緣體，并且在施加恒定電壓時(shí)允許一定量的直流電流通過電容器。漏電與電容器選擇的相關(guān)性取決于應(yīng)用；它可能是微功率應(yīng)用中的功耗問題、精密模擬應(yīng)用中的誤差源或電源應(yīng)用中的可靠性/熱管理問題。

極化

極化是大多數(shù)電解電容器的非理想特性，它依賴于通過電化學(xué)作用形成的電介質(zhì)。以不正確的極性向此類電容器施加電壓會(huì)導(dǎo)致用于創(chuàng)建電容器介電層的電化學(xué)過程發(fā)生逆轉(zhuǎn)。這種電化學(xué)破壞介電層的過程會(huì)導(dǎo)致高于規(guī)定的漏電流，并且隨著變薄的介電層在施加電壓的應(yīng)力下開始擊穿，漏電流會(huì)加劇。由于漏電流會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱，并且溫度升高會(huì)導(dǎo)致漏電流增加，因此當(dāng)（錯(cuò)誤）施加的電壓的源阻抗較低時(shí)，會(huì)發(fā)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)，從而可能導(dǎo)致相當(dāng)嚴(yán)重的災(zāi)難性故障。非極化電解電容器（實(shí)際上是兩個(gè)背靠背放置的極化電容器）可用于施加電壓極性未知或偶爾可能反轉(zhuǎn)的應(yīng)用，但使用時(shí)需要謹(jǐn)慎。

介電吸收

電介質(zhì)吸收，也稱為“浸泡”，是指電容器電介質(zhì)內(nèi)的能量存儲(chǔ)，其吸收和釋放的時(shí)間范圍比器件標(biāo)稱電容和 ESR 預(yù)測(cè)的時(shí)間范圍要長(zhǎng)。在集總元件模型中，它可以表示為與設(shè)備標(biāo)稱電容并聯(lián)的電阻器和電容器（或其多個(gè)實(shí)例）的串聯(lián)連接。實(shí)際上，這意味著電容器在直流電勢(shì)下保持一段時(shí)間，然后短暫放電，似乎會(huì)在某種程度上自行充電。在另一個(gè)示例中，在放電曲線的快速變化部分期間，通過保持在直流電位的電容器的電阻器放電一段時(shí)間將通過通常的指數(shù)方程很好地建模。然而，在曲線的“長(zhǎng)尾”部分，電容器將提供比通常的 RC 放電方程預(yù)測(cè)的電流更高的電流。這種現(xiàn)象在精密模擬電路中可能會(huì)出現(xiàn)問題，但在高電壓、高電容設(shè)備（例如許多功率因數(shù)校正或直流總線濾波應(yīng)用中使用的設(shè)備）中會(huì)帶來潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應(yīng)用的許多類型的電容器都是最容易通過電介質(zhì)吸收來存儲(chǔ)能量的電容器，其中一些電容器能夠“自充電”到先前施加的電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。這種現(xiàn)象在精密模擬電路中可能會(huì)出現(xiàn)問題，但在高電壓、高電容設(shè)備（例如許多功率因數(shù)校正或直流總線濾波應(yīng)用中使用的設(shè)備）中會(huì)帶來潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應(yīng)用的許多類型的電容器都是最容易通過電介質(zhì)吸收來存儲(chǔ)能量的電容器，其中一些電容器能夠“自充電”到先前施加的電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。這種現(xiàn)象在精密模擬電路中可能會(huì)出現(xiàn)問題，但在高電壓、高電容設(shè)備（例如許多功率因數(shù)校正或直流總線濾波應(yīng)用中使用的設(shè)備）中會(huì)帶來潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應(yīng)用的許多類型的電容器都是最容易通過電介質(zhì)吸收來存儲(chǔ)能量的電容器，其中一些電容器能夠“自充電”到先前施加的電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。高電容器件，例如許多功率因數(shù)校正或直流總線濾波應(yīng)用中使用的器件。目前和歷史上用于此類應(yīng)用的許多類型的電容器都是最容易通過電介質(zhì)吸收來存儲(chǔ)能量的電容器，其中一些電容器能夠“自充電”到先前施加的電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。高電容器件，例如許多功率因數(shù)校正或直流總線濾波應(yīng)用中使用的器件。目前和歷史上用于此類應(yīng)用的許多類型的電容器都是最容易通過電介質(zhì)吸收來存儲(chǔ)能量的電容器，其中一些電容器能夠“自充電”到先前施加的電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。有些能夠“自充電”至先前施加電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。有些能夠“自充電”至先前施加電壓的五分之一。對(duì)于較大的設(shè)備，由于此過程而出現(xiàn)在端子上的能量和電壓可能足以直接造成傷害（燒傷或心臟驟停是兩種可能性）或由于對(duì)電擊的無意識(shí)反應(yīng)而間接造成傷害。

____ 對(duì) _____ 的依賴

在第一個(gè)空白處，插入任何感興趣的設(shè)備參數(shù)；電容、ESR、ESL、泄漏、壽命等。在第二個(gè)中插入大多數(shù)應(yīng)用參數(shù)；溫度、電壓、頻率、時(shí)間等。兩者之間存在關(guān)系，并且取決于設(shè)備類型和結(jié)構(gòu)。其中一些關(guān)系不是特別強(qiáng)，通常可以忽略不計(jì)，而另一些關(guān)系則比 800 磅重的大猩猩更強(qiáng)，更不易被忽視。因此，在進(jìn)行設(shè)備選擇時(shí)應(yīng)考慮這種關(guān)系的存在和相關(guān)性。

老化

一些電容器類型的特性表現(xiàn)出顯著的變化，這些變化的時(shí)間尺度比大多數(shù)感興趣的電信號(hào)長(zhǎng)得多，就像 Krispy Kreme? 甜甜圈在離開油炸鍋后隨時(shí)間變化的特性一樣。從設(shè)計(jì)、制造或校準(zhǔn)的角度來看，這可能會(huì)帶來問題；例如，剛從回流爐中出來時(shí)測(cè)試正常的設(shè)備可能在一周后不符合規(guī)格。

麥克風(fēng)/壓電效應(yīng)

回想一下，兩個(gè)平行板之間的電容方程是電極間距/電介質(zhì)厚度的強(qiáng)函數(shù)；如果極板之間的距離改變（例如通過施加機(jī)械力），電容也會(huì)改變。如果電容發(fā)生變化但存儲(chǔ)的電荷量保持恒定，則電容器端子上的電壓與電容的變化成反比變化。結(jié)果是電容器在機(jī)械和電氣領(lǐng)域之間提供了一種轉(zhuǎn)換機(jī)制，通常稱為顫噪效應(yīng)，因?yàn)樗c舞臺(tái)表演、便攜式電子產(chǎn)品等中使用的音頻麥克風(fēng)相似/應(yīng)用。這種效果對(duì)于這些領(lǐng)域非常有用。應(yīng)用程序，但當(dāng)它導(dǎo)致機(jī)械信號(hào)意外耦合到電路中時(shí)，也可能會(huì)出現(xiàn)問題，成為噪聲源，或更糟糕的是，成為意外的反饋路徑。轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制也是雙向的；在電容器端子上施加電壓會(huì)導(dǎo)致機(jī)械力施加到電極上，而機(jī)械力又會(huì)機(jī)械耦合到周圍環(huán)境中，例如作為可聽噪聲。盡管由于靜電力（“靜電粘附”背后的現(xiàn)象）而存在于所有電容器中，但它在采用壓電介電材料的設(shè)備中最為明顯。此類材料響應(yīng)機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電荷，并在受到電場(chǎng)作用時(shí)向另一個(gè)方向發(fā)生機(jī)械變形。由于壓電效應(yīng)每施加伏特會(huì)產(chǎn)生比靜電力大得多的機(jī)械力，因此在采用壓電材料的電容器中，電氣和機(jī)械領(lǐng)域之間的耦合要強(qiáng)得多。

圖 3：插圖強(qiáng)調(diào)了電容器作為音頻/機(jī)械傳感器的功能。

電容器的失效機(jī)理

電容器（像所有其他人類發(fā)明一樣）最終會(huì)失效，無論是參數(shù)失效還是災(zāi)難性失效。參數(shù)故障是指設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，但逐漸退化到不再滿足性能規(guī)格的情況。另一方面，災(zāi)難性故障的特點(diǎn)是設(shè)備特性發(fā)生突然、劇烈的變化，導(dǎo)致不符合規(guī)范的行為，其中可能包括自拆卸、燃燒、白熾等。

介電擊穿

介電擊穿失效是一種電氣狀況，其中介電材料的絕緣特性無法將漏電流維持在指定水平以下。介電擊穿故障通常是由于施加的電壓超過設(shè)備的額定限制或超出規(guī)定的熱限制而導(dǎo)致的，這些故障往往是自加重的低阻抗（短路）故障。因此，盡管某些類型的電容器能夠優(yōu)雅地承受輕微的電介質(zhì)擊穿事件，但它們通常非常引人注目。由于電介質(zhì)擊穿和熱故障既可能是原因，也可能是結(jié)果，因此有時(shí)很難將故障事件歸為其中之一所致。

熱的

熱故障是由于器件溫度過高而發(fā)生的故障。在溫度過高導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿事件的情況下，通常是短路故障。熱故障也可以被認(rèn)為是一種長(zhǎng)期現(xiàn)象，即在高溫下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致器件參數(shù)變化超出允許的限度。

機(jī)械的

機(jī)械故障是指設(shè)備的物理?yè)p壞是故障的直接原因，可能表現(xiàn)為參數(shù)不合規(guī)格、短路或開路。陶瓷電容器經(jīng)常遇到機(jī)械故障，通常是在制造和組裝過程中引起的，但也可能由于濫用或不良的機(jī)械設(shè)計(jì)而在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生。

常見的通用電容器規(guī)格有哪些

額定電壓

電容器的額定電壓表示應(yīng)施加到設(shè)備的最大電壓。評(píng)級(jí)的背景很重要；在某些情況下，它可能指示最大安全工作電壓，在其他情況下，它可能更類似于半導(dǎo)體的“絕對(duì)最大”額定值，應(yīng)對(duì)其應(yīng)用適當(dāng)?shù)慕殿~系數(shù)。

寬容

電容器的容差描述了設(shè)備在指定測(cè)試條件下，特別是交流測(cè)試電壓和頻率下應(yīng)表現(xiàn)出的與標(biāo)稱電容值的偏差極限。引用的容差數(shù)據(jù)包括由于制造過程中的變化而導(dǎo)致的與標(biāo)稱值的穩(wěn)態(tài)偏差，并且可能（在極少數(shù)情況下）還包括在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)由溫度引起的電容值變化。應(yīng)該注意的是，測(cè)試條件（溫度、頻率、幅度和測(cè)試電壓的直流偏置值等）常常對(duì)觀察到的器件參數(shù)有很大影響。

安全等級(jí)

設(shè)計(jì)用于故障可能對(duì)人員或財(cái)產(chǎn)安全造成風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)用（通常涉及交流線路電壓）的電容器，根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)指定了字母數(shù)字安全等級(jí)，例如 X1、X2、Y1、Y2 等。監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。 “X”級(jí)設(shè)備經(jīng)過認(rèn)證，適用于故障預(yù)計(jì)不會(huì)造成電擊危險(xiǎn)的應(yīng)用，例如“線對(duì)線”應(yīng)用，而“Y”級(jí)設(shè)備經(jīng)過認(rèn)證，適用于故障會(huì)造成電擊危險(xiǎn)的應(yīng)用，例如“線對(duì)地”應(yīng)用。名稱中的數(shù)字表示浪涌電壓的耐受程度，如 IEC 60384-14 等適用監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定。設(shè)備還可能具有多個(gè)安全評(píng)級(jí)，表明其經(jīng)過認(rèn)證可在不同情況下使用；例如，具有 X1Y2 安全等級(jí)的電容器可用于需要 X1 等級(jí)以及需要 Y2 等級(jí)的應(yīng)用。

電介質(zhì)/電極類型

電容器的特點(diǎn)在于其構(gòu)造所使用的材料，并且在某種程度上還在于其工作機(jī)制。例如，“陶瓷”電容器使用陶瓷材料作為電介質(zhì)； “鋁電解”電容器是使用鋁電極和電解質(zhì)溶液等形成的。通常對(duì)一般電容器類型內(nèi)的介電特性（以及因此的器件性能特性）進(jìn)行進(jìn)一步規(guī)范，特別是在陶瓷電容器類型中。需要注意的一個(gè)常見區(qū)別是電解電容器類型和非電解電容器類型之間的區(qū)別。電解電容器使用通過電化學(xué)方式就地形成的介電材料，通常通過氧化電極材料的表面，而非電解電容器（通常稱為“靜電”電容器）使用的介電材料通常通過各種機(jī)械過程形成，并且不是電極材料本身的化學(xué)衍生物。這種區(qū)別很有用，因?yàn)檫@兩種設(shè)備類別本身具有共同的特征，只需識(shí)別給定設(shè)備是否為電解類型，就可以粗略地預(yù)測(cè)給定設(shè)備的質(zhì)量和應(yīng)用適用性。一般來說，電解電容器單位體積電容量大、有極性、成本低、損耗大、參數(shù)穩(wěn)定性差。相比之下，非電解器件類型的額定值往往較大、非極性、相對(duì)昂貴、損耗低，并且除了少數(shù)值得注意的例外之外，表現(xiàn)出相當(dāng)出色的參數(shù)穩(wěn)定性。這種區(qū)別很有用，因?yàn)檫@兩種設(shè)備類別本身具有共同的特征，只需識(shí)別給定設(shè)備是否為電解類型，就可以粗略地預(yù)測(cè)給定設(shè)備的質(zhì)量和應(yīng)用適用性。一般來說，電解電容器單位體積電容量大、有極性、成本低、損耗大、參數(shù)穩(wěn)定性差。相比之下，非電解器件類型的額定值往往較大、非極性、相對(duì)昂貴、損耗低，并且除了少數(shù)值得注意的例外之外，表現(xiàn)出相當(dāng)出色的參數(shù)穩(wěn)定性。這種區(qū)別很有用，因?yàn)檫@兩種設(shè)備類別本身具有共同的特征，只需識(shí)別給定設(shè)備是否為電解類型，就可以粗略地預(yù)測(cè)給定設(shè)備的質(zhì)量和應(yīng)用適用性。一般來說，電解電容器單位體積電容量大、有極性、成本低、損耗大、參數(shù)穩(wěn)定性差。相比之下，非電解器件類型的額定值往往較大、非極性、相對(duì)昂貴、損耗低，并且除了少數(shù)值得注意的例外之外，表現(xiàn)出相當(dāng)出色的參數(shù)穩(wěn)定性。一般來說，電解電容器單位體積電容量大、有極性、成本低、損耗大、參數(shù)穩(wěn)定性差。相比之下，非電解器件類型的額定值往往較大、非極性、相對(duì)昂貴、損耗低，并且除了少數(shù)值得注意的例外之外，表現(xiàn)出相當(dāng)出色的參數(shù)穩(wěn)定性。一般來說，電解電容器單位體積電容量大、有極性、成本低、損耗大、參數(shù)穩(wěn)定性差。相比之下，非電解器件類型的額定值往往較大、非極性、相對(duì)昂貴、損耗低，并且除了少數(shù)值得注意的例外之外，表現(xiàn)出相當(dāng)出色的參數(shù)穩(wěn)定性。

工作溫度范圍

電容器的（工作）溫度范圍表示設(shè)備合格使用的溫度范圍。當(dāng)單獨(dú)指定時(shí)，存儲(chǔ)溫度范圍是指非活動(dòng)狀態(tài)下的存儲(chǔ)不會(huì)對(duì)器件造成損壞或在正常溫度范圍內(nèi)操作時(shí)導(dǎo)致不可逆的參數(shù)變化的溫度范圍。對(duì)于未組裝的器件，可以制定有關(guān)存儲(chǔ)的進(jìn)一步（更嚴(yán)格）的環(huán)境規(guī)范，以確保鉛飾面材料不會(huì)降解到妨礙正確組裝的程度。與大多數(shù)其他合格參數(shù)不同，在設(shè)備指定溫度范圍之外（特別是在較低溫度下）通常可以輕松運(yùn)行，前提是采取措施考慮由此產(chǎn)生的參數(shù)變化，并且溫度偏移不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的機(jī)械損壞。由于存在與溫度相關(guān)的磨損和故障機(jī)制，在高于設(shè)備額定極限的溫度下運(yùn)行更加危險(xiǎn)，但在設(shè)備壽命不是一個(gè)重要問題的情況下通常是可能的。然而，這種不合規(guī)格的操作由設(shè)計(jì)者承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，并且需要在設(shè)備鑒定方面給予應(yīng)有的謹(jǐn)慎。然而，這種不合規(guī)格的操作由設(shè)計(jì)者承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，并且需要在設(shè)備鑒定方面給予應(yīng)有的謹(jǐn)慎。然而，這種不合規(guī)格的操作由設(shè)計(jì)者承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，并且需要在設(shè)備鑒定方面給予應(yīng)有的謹(jǐn)慎。

紋波電流額定值

電容器的紋波電流額定值表示應(yīng)允許通過電容器的最大交流電流。由于流經(jīng)電容器的電流會(huì)因歐姆和介電損耗而導(dǎo)致自熱，因此給定設(shè)備可以承受的電流量是有限的，并且受到環(huán)境條件的影響。

壽命

許多電容器，尤其是鋁電容器，具有很強(qiáng)的磨損機(jī)制，限制了其使用壽命。壽命規(guī)格是指設(shè)備在指定操作條件下的預(yù)期使用壽命。請(qǐng)注意，使用壽命的定義可能有所不同；一種常見的定義是在特定條件下（通常接近額定最大值）的服務(wù)期限，在此期限內(nèi)，50% 的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)故障。有些規(guī)范更嚴(yán)格，有些規(guī)范可能更寬松。

軍用、高可靠性和既定的可靠性

對(duì)于不能容忍器件故障的應(yīng)用，可以使用根據(jù)定義的協(xié)議生產(chǎn)和測(cè)試的電容器，以便提供器件可靠性的統(tǒng)計(jì)保證。特別敏感的應(yīng)用通常要求通過有記錄的渠道采購(gòu)組件，這樣可以通過生產(chǎn)過程追溯給定組件的來源，以確保設(shè)備的完整性并在發(fā)生故障時(shí)促進(jìn)根本原因分析。在撰寫本文時(shí)，MIL-HDBK-217F 通知 2 是預(yù)測(cè)電子設(shè)備可靠性最廣泛使用的指南，盡管 Telcordia 制定的程序也已被廣泛使用，特別是在電信行業(yè)。

封裝和安裝類型

與大多數(shù)電子元件一樣，電容器有多種封裝和安裝類型。器件特性和常見應(yīng)用限制會(huì)影響可用選項(xiàng)，其中可能包括表面安裝器件、軸向和徑向引線通孔類型以及底盤安裝類型。

什么是[鋁電容器]？

鋁電容器是屬于“電解”電容器范疇的一系列器件。因此，它們以相對(duì)較低的成本在小型封裝中提供高電容值。為了獲得這些理想的品質(zhì)，它們的電氣性能和使用壽命往往相對(duì)較差。盡管鋁電容器不適合除最野蠻的信號(hào)相關(guān)應(yīng)用之外的所有應(yīng)用，但鋁電容器卻是直流電源相關(guān)功能的主要應(yīng)用。提供三種不同的類型；標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器、該主題的雙極變體以及包含導(dǎo)電聚合物電極的新型電容器。將該系列稱為“鋁電容器”而不是“鋁電解電容器”是對(duì)后一種不包含傳統(tǒng)液體電解質(zhì)的器件類型的致敬。

圖 4：不同封裝形式的鋁電容器。 LR、表面安裝、通孔安裝和底盤安裝。 （不按比例）

裝置構(gòu)造

標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器由兩片高純度鋁箔組成，由間隔材料（例如浸有電解質(zhì)溶液的紙）交錯(cuò)和分隔。這些箔片通常在微觀水平上進(jìn)行蝕刻，其有效表面積比箔保持光滑時(shí)增加了數(shù)百倍。通過含氧電解質(zhì)溶液向箔片施加電壓，在其中一個(gè)箔片（在標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器中）上形成一層氧化鋁，該層用作電容器的介電材料。這樣做會(huì)導(dǎo)致電解液中的氧氣與鋁箔表面結(jié)合，形成氧化層，其厚度與形成過程中施加的電壓成正比，并由要生產(chǎn)的電容器的預(yù)期工作電壓決定。通常，該氧化層的厚度約為 1 微米或 0.00004 英寸。下面的未氧化金屬形成鋁電解電容器的電極之一。另一個(gè)電極不是第二片箔片，而是電解質(zhì)溶液。在標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器中，第二個(gè)箔片沒有故意形成的氧化層，只是用于與電解質(zhì)進(jìn)行電接觸，因?yàn)楹茈y將液體焊接到電路板上......在雙極電容器中，氧化層形成在兩個(gè)鋁片上，從而形成一個(gè)實(shí)際上是兩個(gè)反向串聯(lián)電容器的裝置。因?yàn)殡娊庖菏且后w（鋁聚合物電容器除外，如果它是導(dǎo)電聚合物材料），它能夠符合蝕刻和氧化箔片的微觀結(jié)構(gòu)，從而在電容器的兩個(gè)電極之間形成大面積。由于介電材料（氧化鋁）非常薄，因此最終結(jié)果是電容器具有高值；根據(jù)基本電容器方程，電容與電極面積成正比，與電極間隔距離/電介質(zhì)厚度成反比。將引線附接到箔片上，將組件纏繞、折疊或以其他方式成形以適合容器（通常也由鋁制成），并且使用橡膠密封塞密封組件。由于故障情況可能導(dǎo)致內(nèi)部壓力增大，因此大多數(shù)鋁電容器還包括以相對(duì)安全的方式排出此類壓力的裝置。在較大的設(shè)備中通常使用專用機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)此目的，而較小的設(shè)備通過仔細(xì)設(shè)計(jì)橡膠密封塞和/或容器刻痕來實(shí)現(xiàn)保護(hù)性排氣功能，以便在內(nèi)部壓力過大時(shí)容器以相對(duì)受控的方式破裂。 。包括標(biāo)準(zhǔn)型、雙極型和聚合物型。

可用電容和電壓范圍

圖 5：撰寫本文時(shí)，DigiKey 提供的鋁電容器的電壓/電容額定值范圍圖。

應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

鋁電容器的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠在小型封裝中提供大電容值，并且成本相對(duì)較低。此外，它們往往具有良好的自愈特性；當(dāng)氧化鋁介電層中出現(xiàn)局部薄弱點(diǎn)時(shí)，流過介電薄弱點(diǎn)的漏電流增加會(huì)引起類似于介電層初始形成期間所使用的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致介電層增厚弱點(diǎn)，從而減少漏電流。鋁電容器的缺點(diǎn)主要與（a）其構(gòu)造所用材料的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)、（b）電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電特性以及（c）液體電解質(zhì)的揮發(fā)性有關(guān)。鋁電容器所用材料的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)存在兩點(diǎn)問題：介電層的穩(wěn)定性和器件的長(zhǎng)期機(jī)械完整性。由于這些器件中的氧化鋁介電層是通過電化學(xué)過程形成的，因此它也可以通過簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)所施加的電壓而被電化學(xué)過程侵蝕。這就是為什么大多數(shù)鋁電容器都是有極性的；應(yīng)用極性錯(cuò)誤的電壓會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)快速腐蝕和變薄，從而導(dǎo)致高漏電流和內(nèi)部過熱。從機(jī)械完整性的角度來看，將高活性金屬（鋁）與腐蝕性電解質(zhì)溶液混合是一個(gè)微妙的提議；電解質(zhì)成分錯(cuò)誤可能導(dǎo)致過早失效，2000 年代初期的“電容器瘟疫”就是明證。鋁電解電容器的另一個(gè)缺點(diǎn)是所使用的電解質(zhì)不是特別有效的導(dǎo)體，因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶液中的傳導(dǎo)是通過離子傳導(dǎo)而不是電子傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的。離子（由于電子過剩或缺乏而帶有電荷的原子或其小組）不是在作為電荷載體的原子之間移動(dòng)的松散電子，而是在整個(gè)溶液中移動(dòng)。由于離子比電子體積大，因此它們不易移動(dòng)，因此離子傳導(dǎo)通常比電子傳導(dǎo)具有更高的電阻。這種情況的程度很大程度上受溫度影響；溫度越低，電解質(zhì)溶液中的離子越難在溶液中移動(dòng)，這會(huì)轉(zhuǎn)化為更高的電阻。因此，電解電容器往往具有相對(duì)較高的 ESR，與溫度呈很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)。鋁電容器（固體聚合物類型除外）的第三個(gè)主要缺點(diǎn)是，液體電解質(zhì)溶液會(huì)隨著時(shí)間的推移而蒸發(fā)，最終通過橡膠密封塞擴(kuò)散、安全通風(fēng)口結(jié)構(gòu)泄漏或泄漏到大氣中。類似的現(xiàn)象。鋁電容器（固體聚合物類型除外）的第三個(gè)主要缺點(diǎn)是，液體電解質(zhì)溶液會(huì)隨著時(shí)間的推移而蒸發(fā)，最終通過橡膠密封塞擴(kuò)散、安全通風(fēng)口結(jié)構(gòu)泄漏或泄漏到大氣中。類似的現(xiàn)象。鋁電容器（固體聚合物類型除外）的第三個(gè)主要缺點(diǎn)是，液體電解質(zhì)溶液會(huì)隨著時(shí)間的推移而蒸發(fā)，最終通過橡膠密封塞擴(kuò)散、安全通風(fēng)口結(jié)構(gòu)泄漏或泄漏到大氣中。類似的現(xiàn)象。

常見用途和應(yīng)用

鋁電容器主要用于需要相對(duì)大值、低成本電容器的直流電源應(yīng)用，而交流性能和參數(shù)隨時(shí)間的穩(wěn)定性并不是特別重要。此類應(yīng)用包括電源應(yīng)用中整流交流線路電壓的大容量濾波以及低頻開關(guān)電源中的輸出濾波等。由于鋁電容器相對(duì)較高的 ESR 與其大標(biāo)稱電容串聯(lián)形成的時(shí)間常數(shù)，因此鋁電容器作為當(dāng)紋波頻率接近 100 kHz 時(shí)，此類產(chǎn)品往往會(huì)很快失去吸引力。不過，設(shè)備優(yōu)化差異很大，任何給定設(shè)備的有用頻率限制可能低至幾 kHz 到 1 MHz。鋁電解電容器通常不適用于不希望器件參數(shù)隨環(huán)境和操作條件而出現(xiàn)高損耗和大范圍變化的應(yīng)用，其中包括大多數(shù)模擬信號(hào)路徑。

常見故障機(jī)制/關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素

電解質(zhì)損失

大多數(shù)鋁電容器中的液體電解質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間的推移而蒸發(fā)，導(dǎo)致 ESR 增加和電容減少。這是一種磨損機(jī)制，通常是鋁電解電容器使用壽命的限制因素。盡管應(yīng)用和存儲(chǔ)條件會(huì)影響指針移動(dòng)的速度，但時(shí)鐘在設(shè)備制造出來后立即啟動(dòng)并且不會(huì)停止。溫度是決定電解質(zhì)損失率的主要因素，阿倫尼烏斯方程對(duì)此進(jìn)行了很好的描述，該方程大致預(yù)測(cè)溫度每變化 10°C，工藝速率將發(fā)生兩倍的變化。換句話說，在所有其他因素相同的情況下，將電解電容器的溫度降低 10°C，其預(yù)期使用壽命大約會(huì)增加一倍。電解質(zhì)損失還受到大氣壓力的影響，較低的壓力會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)損失加速。極端低壓環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致并非針對(duì)此類環(huán)境設(shè)計(jì)的設(shè)備發(fā)生外殼破裂或安全通風(fēng)口打開的情況，從而比在較高環(huán)境壓力下更快地導(dǎo)致故障。當(dāng)根據(jù)阿累尼烏斯關(guān)系和制造商規(guī)定的壽命規(guī)格估計(jì)電容器壽命時(shí)，必須考慮紋波電流引起的自熱；電容器的內(nèi)部溫度是感興趣的量，而不僅僅是應(yīng)用的環(huán)境溫度。對(duì)于高海拔或低壓操作，請(qǐng)咨詢制造商的規(guī)格，因?yàn)樾枰档鸵?guī)定的使用壽命，在環(huán)境壓力下降至零，此時(shí)電解質(zhì)的蒸氣壓與外部環(huán)境壓力之間的差異將導(dǎo)致電容器的安全通風(fēng)口打開。請(qǐng)注意，蒸氣壓通常隨著溫度的升高而增加，從而導(dǎo)致工作溫度和最大允許工作高度之間的權(quán)衡。

電解液故障

不正確的電解質(zhì)配方可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部組件快速腐蝕和/或鋁電容器中氣壓升高，從而導(dǎo)致過早失效。據(jù)報(bào)道，這種機(jī)制是 2000 年代初期許多消費(fèi)電子設(shè)備中鋁電解電容器普遍過早失效的原因。除了獨(dú)立測(cè)試和評(píng)估之外，避免此問題（事實(shí)證明這對(duì)許多公司來說極其昂貴）的最佳方法是僅從信譽(yù)良好的制造商處直接或通過制造商授權(quán)的分銷商購(gòu)買產(chǎn)品。從可疑來源購(gòu)買廉價(jià)電子元件很像凌晨 2 點(diǎn)在城鎮(zhèn)貧困地區(qū)的街角從陌生人那里購(gòu)買塑料袋裝的藥品……不要這樣做。

電壓過應(yīng)力

當(dāng)施加在鋁電解電容器上的電壓超過規(guī)定限值時(shí)，通過氧化鋁介電層的漏電流迅速增加，從介電材料內(nèi)的局部“薄”點(diǎn)開始。漏電流的增加導(dǎo)致器件內(nèi)的局部發(fā)熱增加。如果不限制漏電流，增加的局部加熱可能會(huì)對(duì)介電層造成進(jìn)一步損壞，導(dǎo)致介電材料的級(jí)聯(lián)故障和電容器的損壞。

電流過載

鋁電解電容器通常具有相對(duì)較大的 ESR 值，這主要是由于電解質(zhì)溶液的電阻率造成的。流經(jīng)該電阻的交流電流會(huì)導(dǎo)致歐姆加熱，從而導(dǎo)致電解質(zhì)損失并增加電介質(zhì)擊穿事件的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)該注意的是，鋁電解電容器的表觀電容與頻率相關(guān)。因此，制造商提供的紋波電流規(guī)格應(yīng)根據(jù)應(yīng)用中存在的紋波頻率進(jìn)行解釋。鋁電解電容器的最大紋波電流值通常在 120 Hz 和 100 kHz 時(shí)引用，因此在選擇器件時(shí)不僅要注意觀察引用的紋波電流值，還要注意引用該數(shù)字的測(cè)試頻率。

老化導(dǎo)致的電壓過應(yīng)力

由于電介質(zhì)形成過程的電化學(xué)性質(zhì)，在零施加電壓下長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)會(huì)導(dǎo)致氧化鋁電介質(zhì)層退化。隨著電介質(zhì)減弱，即使施加的電壓可能在設(shè)備的額定限制范圍內(nèi)，也可能會(huì)發(fā)生電壓過應(yīng)力情況。在輕微的情況下，唯一的癥狀可能是泄漏電流增加和設(shè)備溫度暫時(shí)升高，直到設(shè)備自愈。在嚴(yán)重的情況下，通過嚴(yán)重退化的電介質(zhì)上的低源阻抗施加最大額定電壓，設(shè)備可能會(huì)發(fā)生短路并以驚人的方式破裂。盡管已經(jīng)并繼續(xù)開發(fā)電解質(zhì)配方來解決該問題，但不同產(chǎn)品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性差異很大，有些在放電狀態(tài)下僅儲(chǔ)存 1 至 3 年后就出現(xiàn)了可測(cè)量的退化。在設(shè)計(jì)可能長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)的應(yīng)用時(shí)，建議對(duì)器件進(jìn)行適度的電壓降額，以提高針對(duì)這種影響的安全裕度。還建議使用專門設(shè)計(jì)的能夠抵抗儲(chǔ)存降解的產(chǎn)品。在維修/重新調(diào)試情況下，對(duì)萎縮鋁電解電容器的一般規(guī)定處理方法是在 4-8 小時(shí)內(nèi)逐漸施加系統(tǒng)電壓。執(zhí)行此操作之前，請(qǐng)驗(yàn)證設(shè)備不會(huì)因在低于規(guī)格的電源電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而損壞。在設(shè)計(jì)可能長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)的應(yīng)用時(shí)，建議對(duì)器件進(jìn)行適度的電壓降額，以提高針對(duì)這種影響的安全裕度。還建議使用專門設(shè)計(jì)的能夠抵抗儲(chǔ)存降解的產(chǎn)品。在維修/重新調(diào)試情況下，對(duì)萎縮鋁電解電容器的一般規(guī)定處理方法是在 4-8 小時(shí)內(nèi)逐漸施加系統(tǒng)電壓。執(zhí)行此操作之前，請(qǐng)驗(yàn)證設(shè)備不會(huì)因在低于規(guī)格的電源電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而損壞。在設(shè)計(jì)可能長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)的應(yīng)用時(shí)，建議對(duì)器件進(jìn)行適度的電壓降額，以提高針對(duì)這種影響的安全裕度。還建議使用專門設(shè)計(jì)的能夠抵抗儲(chǔ)存降解的產(chǎn)品。在維修/重新調(diào)試情況下，對(duì)萎縮鋁電解電容器的一般規(guī)定處理方法是在 4-8 小時(shí)內(nèi)逐漸施加系統(tǒng)電壓。執(zhí)行此操作之前，請(qǐng)驗(yàn)證設(shè)備不會(huì)因在低于規(guī)格的電源電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而損壞。還建議使用專門設(shè)計(jì)的能夠抵抗儲(chǔ)存降解的產(chǎn)品。在維修/重新調(diào)試情況下，對(duì)萎縮鋁電解電容器的一般規(guī)定處理方法是在 4-8 小時(shí)內(nèi)逐漸施加系統(tǒng)電壓。執(zhí)行此操作之前，請(qǐng)驗(yàn)證設(shè)備不會(huì)因在低于規(guī)格的電源電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而損壞。還建議使用專門設(shè)計(jì)的能夠抵抗儲(chǔ)存降解的產(chǎn)品。在維修/重新調(diào)試情況下，對(duì)萎縮鋁電解電容器的一般規(guī)定處理方法是在 4-8 小時(shí)內(nèi)逐漸施加系統(tǒng)電壓。執(zhí)行此操作之前，請(qǐng)驗(yàn)證設(shè)備不會(huì)因在低于規(guī)格的電源電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而損壞。

設(shè)備功能、選項(xiàng)和目標(biāo)應(yīng)用

聲音的

用于音頻應(yīng)用的鋁電解電容器通常是低 ESR 類型，其結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)妥協(xié)可能會(huì)偏向于有利于電氣性能和參數(shù)穩(wěn)定性，但會(huì)犧牲尺寸和成本等因素。然而，應(yīng)該指出的是，音頻領(lǐng)域充滿了主觀主義和旨在將傻瓜與他們的錢分開的營(yíng)銷，這種影響甚至滲透到組件層面。如果電容 A 的標(biāo)簽更漂亮，而且成本是電容 B 的十倍，那么顯然電容 A 更好，對(duì)嗎？不必要。檢查規(guī)格，了解哪些規(guī)格對(duì)于當(dāng)前的應(yīng)用很重要，然后選擇最能滿足應(yīng)用要求的設(shè)備。除非您正在構(gòu)建一些東西來出售給愿意花費(fèi)數(shù)百或數(shù)千美元購(gòu)買“定向”揚(yáng)聲器電纜的人。在這種情況下，請(qǐng)選擇最物有所值的東西……

汽車

針對(duì)汽車應(yīng)用的器件通常設(shè)計(jì)為具有長(zhǎng)壽命和在擴(kuò)展溫度范圍（至少可達(dá) 105°C）下運(yùn)行的特點(diǎn)。大多數(shù)都符合 AEC（汽車電子委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)。

雙極

雙極電解電容器的設(shè)計(jì)目的是，通過在標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器中使用的兩個(gè)箔片（而不是僅一個(gè)）上形成氧化膜，在承受改變極性的電壓時(shí)不會(huì)損壞。由于此類器件的 ESR 高，通常認(rèn)為它們不適合在連續(xù)施加的交流電壓下運(yùn)行，因此有時(shí)被稱為“無極性直流電容器”以強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。它們的使用通常僅限于直流應(yīng)用，其中所施加的極性不確定，有時(shí)可能會(huì)瞬態(tài)反轉(zhuǎn)，或者流過器件的電流可以限制在不會(huì)導(dǎo)致過度自熱的值。

一般用途

“通用”是對(duì)那些并非專門為解決特定應(yīng)用類別而設(shè)計(jì)的設(shè)備的總稱，并且其結(jié)構(gòu)沒有主要的區(qū)別特征。

高溫回流焊

指定為“高溫回流”類型的器件經(jīng)過設(shè)計(jì)和認(rèn)證，適用于制造過程中遇到較高工藝溫度的應(yīng)用，如無鉛/符合 RoHS 的回流焊接操作中常見的情況。

電機(jī)運(yùn)行

具有此名稱的鋁電解電容器專為連續(xù)工作、高紋波應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)和逆變器應(yīng)用。

電機(jī)啟動(dòng)

具有此名稱的鋁電解電容器通常設(shè)計(jì)用于交流電機(jī)啟動(dòng)應(yīng)用。通常它們是雙極的，額定電壓為幾百伏，值在幾十到幾千微法之間。

聚合物

該名稱與使用固體導(dǎo)電聚合物而不是液體電解質(zhì)作為電解質(zhì)材料的鋁電解電容器相關(guān)。通常，與同類液體電解質(zhì)器件相比，它們?cè)诟邷叵卤憩F(xiàn)出更好的穩(wěn)定性、更低的 ESR 和更長(zhǎng)的使用壽命，盡管可用性受到相對(duì)較低的電容和電壓額定值的限制，并且給定電容和電壓額定值的器件成本明顯高于類似的液體電解質(zhì)類型。

不銹鋼外殼

具有此名稱的設(shè)備采用堅(jiān)固的不銹鋼外殼設(shè)計(jì)，能夠承受電容器內(nèi)部和外部之間高于典型的壓差。與大多數(shù)其他設(shè)備相比，這允許在較低的大氣壓力下運(yùn)行，并且由于能夠減少電解質(zhì)損失而允許更長(zhǎng)的預(yù)期運(yùn)行壽命。通常，這些設(shè)備也相當(dāng)昂貴。

什么是[陶瓷電容器]？

陶瓷電容器是靜電器件，其特征在于使用各種陶瓷介電材料，這些材料通常基于鈦酸鋇（BaTiO 3 ）。它們是非極化的，其特征涵蓋了大部分?jǐn)?shù)量-質(zhì)量范圍，可能稍微偏向質(zhì)量。結(jié)構(gòu)和介電性能的多種變化可滿足不同的應(yīng)用需求，這種廣泛的適用性與相對(duì)低成本的結(jié)構(gòu)一起使陶瓷電容器成為當(dāng)前使用中最受歡迎的電容器類型（按銷售的設(shè)備數(shù)量計(jì)算）。

裝置構(gòu)造

圖 6：左：多層陶瓷片式電容器 (MLCC)；右：通孔盤式電容器。

早期的器件被構(gòu)造為兩個(gè)金屬電極之間的單層陶瓷介電材料（通常為圓形）。引線固定在金屬電極上，并將組件封裝在絕緣材料（通常是陶瓷或環(huán)氧樹脂）中。雖然這種結(jié)構(gòu)類型仍然存在于用于交流線路或高壓應(yīng)用的設(shè)備中，但基于這種結(jié)構(gòu)方法的設(shè)備很少（如果有的話）適合表面安裝，這限制了它們對(duì)許多應(yīng)用的吸引力。如今更常見的是多層陶瓷片式電容器 (MLCC)，它使用交替、交錯(cuò)的電極和介電材料薄層，以便在較小的整體封裝體積中實(shí)現(xiàn)較大的電極表面積。這種裝置是通過擠壓未燒制的陶瓷“粘土”薄片來構(gòu)造的，在其上通過類似于絲網(wǎng)印刷的工藝沉積細(xì)碎形式的電極材料。將許多這樣的“片材”堆疊并壓在一起以形成所需數(shù)量的電極層，切割成單獨(dú)的電容器，并在高溫爐中燒制以硬化陶瓷介電材料并融合電極金屬中的顆粒。然后應(yīng)用端接，并且通過最終檢查的設(shè)備被包裝以便運(yùn)輸。并在高溫烘箱中燒制，使陶瓷介電材料硬化并融合電極金屬中的顆粒。然后應(yīng)用端接，并且通過最終檢查的設(shè)備被包裝以便運(yùn)輸。并在高溫烘箱中燒制，使陶瓷介電材料硬化并融合電極金屬中的顆粒。然后應(yīng)用端接，并且通過最終檢查的設(shè)備被包裝以便運(yùn)輸。

圖 7：簡(jiǎn)化的 MLCC 生產(chǎn)流程。 （來源：維基共享資源）

可用電容和電壓范圍：

圖 8：撰寫本文時(shí) DigiKey 提供的陶瓷電容器電壓/電容組合范圍的圖示。

應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

陶瓷電容器（尤其是 MLCC）因其多功能性、經(jīng)濟(jì)性、耐用性和普遍良好的電氣特性而贏得了廣泛的青睞。在其應(yīng)用領(lǐng)域重疊的情況下，陶瓷電容器相對(duì)于用于大功率處理的其他類型（鋁、鉭等）通常具有良好的特性，而相對(duì)于薄膜或在穩(wěn)定性和精度要求最高的情況下使用的其他類型而言，陶瓷電容器的特性稍差。必需的。陶瓷電容器的多功能性體現(xiàn)在可用值的范圍上，如圖 8 所示，電容值跨越約 9 個(gè)數(shù)量級(jí)，電壓跨越約 4 個(gè)數(shù)量級(jí)；能夠跨越如此廣度的技術(shù)并不多。在大多數(shù)情況下，陶瓷電容器結(jié)構(gòu)中使用的原材料并不是特別昂貴并且得到了有效利用，雖然需要高度的精度和過程控制，但基本的制造過程并不復(fù)雜。這些特性共同使得 MLCC 每年生產(chǎn)數(shù)十億個(gè)，單位成本往往低于美分。從應(yīng)用的角度來看，它們非常適合長(zhǎng)期應(yīng)用；本質(zhì)上是耐用材料（金屬和陶瓷）的層狀蛋糕，它們不具有強(qiáng)烈的磨損機(jī)制，對(duì)溫度、壓力或電壓反轉(zhuǎn)沒有嚴(yán)重的脆弱性，也沒有電解裝置所遇到的泄漏、燃燒或毒性的風(fēng)險(xiǎn)。由于陶瓷電容器不像電解設(shè)備那樣依賴相對(duì)高電阻的電解質(zhì)溶液來運(yùn)行，因此陶瓷電容器的 ESR 往往相當(dāng)?shù)停⑶宜鼈兊膬?nèi)部幾何形狀（以及短引線長(zhǎng)度、在許多情況下，對(duì)于 MLCC，電路板布局是 ESL 的主要貢獻(xiàn)者。陶瓷電容器的應(yīng)用弱點(diǎn)包括機(jī)械脆弱性、缺乏自愈能力、高電容值的成本以及對(duì)環(huán)境和電氣操作條件的不同程度的參數(shù)依賴性，具體取決于陶瓷介電材料的具體配方。與大多數(shù)陶瓷物體一樣，陶瓷電容器非常脆弱且缺乏靈活性。因此，它們很容易因機(jī)械應(yīng)力或熱沖擊而損壞，并且需要在最終產(chǎn)品的組裝和維修過程中仔細(xì)減輕這些因素。陶瓷電容器相對(duì)惰性的“鋼石”結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是不存在自愈機(jī)制。導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿的應(yīng)力往往會(huì)對(duì)設(shè)備造成不可恢復(fù)的損壞，因此必須將實(shí)質(zhì)性的安全因素納入額外的電介質(zhì)厚度中，因?yàn)殡娊橘|(zhì)中的薄弱點(diǎn)在生產(chǎn)過程中不易被“燒毀”。這導(dǎo)致陶瓷電容器的每法拉成本相對(duì)較高（與電解電容器相比），并且隨著設(shè)備尺寸的增加，機(jī)械損壞的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，導(dǎo)致陶瓷電容器的吸引力/可用性降低，其值超過幾十微法拉。最后，許多陶瓷介電配方在參數(shù)上不穩(wěn)定，或者與溫度和介電應(yīng)力呈線性關(guān)系，其程度通常與其介電常數(shù)成正比。最后，高值陶瓷電容器通常不適合精密應(yīng)用。

重要的設(shè)計(jì)考慮因素

溫度特性和介電分類

常用的陶瓷介電材料有多種，但其體積效率、溫度依賴性、損耗特性和其他非理想行為差異很大。不同的設(shè)備根據(jù)其溫度特性進(jìn)行分類，并采用 EIA（電子工業(yè)協(xié)會(huì)）和 IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）以及美國(guó)軍方和其他標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)多年來建立的不同分界線和標(biāo)識(shí)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的共同點(diǎn)是電容的質(zhì)量和數(shù)量之間的區(qū)別。用于精密模擬和諧振電路應(yīng)用的低損耗/高穩(wěn)定性/溫度線性類型與提供單位體積??高電容的類型不同，但代價(jià)是穩(wěn)定性和線性度較差。IEC 標(biāo)準(zhǔn)將針對(duì)電容質(zhì)量和數(shù)量設(shè)計(jì)的電介質(zhì)分別指定為 1 類和 2 類。與 IEC 標(biāo)準(zhǔn)一樣，EIA 標(biāo)準(zhǔn)將注重質(zhì)量的電介質(zhì)指定為 I 類（羅馬數(shù)字，并不總是使用），盡管它將 IEC 2 類設(shè)備細(xì)分為 EIA II 類和 III 類。 EIA II 類器件是指在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的參數(shù)穩(wěn)定性方面保留一定程度的器件（在指定范圍內(nèi)+/- 15% 或更好，通常為 -50°C 至 85°C 或更高），而 EIA III 類器件電介質(zhì)為了追求體積效率而放棄了所有溫度穩(wěn)定性的偽裝，在更窄的溫度范圍內(nèi)具有更寬的參數(shù)變化； +10° 至 +85°C 范圍內(nèi) +22%/-56% 或 -30°C 至 +85°C 范圍內(nèi) +22%/-82% 是常見的 III 級(jí)限值。圖 9 以圖形方式說明了這一現(xiàn)象，顯示了一家制造商對(duì)具有幾種不同溫度特性的電介質(zhì)的表征。

圖 9：幾種不同介電類別的陶瓷電容器隨溫度變化的典型電容變化。 （源數(shù)據(jù)：AVX 表面貼裝陶瓷電容器產(chǎn)品目錄，v13.10）

每個(gè)通用介電類別都有各種介電配方，按 1 類介電材料的電容溫度系數(shù)分類，以及其他器件類別在指定溫度范圍內(nèi)電容變化的限制。圖 9A 的表中顯示了一些分類方案的“秘密解碼器環(huán)”。采用 IEC 1 類（EIA I 類）電介質(zhì)的 MLCC 設(shè)計(jì)具有受控、指定的電容溫度系數(shù)；這些器件的電容是溫度的線性函數(shù)。 EIA I 類器件的介電分類指示該線的斜率和所述斜率的容差。相比之下，II 類和 III 類陶瓷的介電分類表明了兩個(gè)量的外部邊界：1) 電容隨溫度的變化，以相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)溫度（通常為 25°C）下的值的百分比表示；2) 邊界適用的溫度范圍。在這些限制內(nèi)，沒有暗示溫度特性的斜率；大多數(shù)甚至不是單調(diào)的，更不用說線性了。

圖 9A：顯示 EIA 和美國(guó)軍事分類方案下不同指示符所表示的行為限制的表格。

關(guān)于 IEC 2 類（EIA II/III 類）電介質(zhì)的分類，應(yīng)注意兩個(gè)重要的觀察結(jié)果：

1. 它們表明電容變化僅隨溫度變化。其他影響不包括在 ΔC 數(shù)據(jù)中，并且這些影響可能很重要。 （參見電容電壓系數(shù)部分）
2. 它們并不是介電配方的絕對(duì)規(guī)定，只是僅根據(jù)溫度行為對(duì)器件進(jìn)行分組的一種方法。不同的部件號(hào)（特別是具有不同封裝尺寸的部件）在給定的應(yīng)用中可能表現(xiàn)不同，即使它們具有相同的值、容差、額定電壓和介電分類。

公差規(guī)格

陶瓷電容器的制造公差和溫度行為規(guī)范之間的區(qū)別很容易被誤解，這可能是由于數(shù)字大小經(jīng)常相似、通常以百分比表示的做法以及不完善的語言規(guī)則。準(zhǔn)確地說，陶瓷電容器的“公差”規(guī)格表示在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下由于制造差異而導(dǎo)致的器件值的允許變化。它通常指定為標(biāo)稱值的百分比，指的是在標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試條件下具有相同部件號(hào)的不同設(shè)備之間相對(duì)于標(biāo)稱值的變化。換句話說，它是衡量生產(chǎn)線零件均勻性的指標(biāo)。相比之下，陶瓷電容器的“溫度特性”表示任何給定設(shè)備的電容在該設(shè)備規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)隨溫度變化的程度。術(shù)語“溫度系數(shù)”最適合使用 I 類電介質(zhì)的器件，其或多或少具有線性溫度依賴性，而術(shù)語“溫度特性”更適合使用 EIA II 類和 III 類電介質(zhì)的電容器，其表現(xiàn)出明顯的非線性電容隨溫度變化。其或多或少具有線性溫度依賴性，而術(shù)語“溫度特性”更適合使用 EIA II 類和 III 類電介質(zhì)的電容器，這些電容器的電容隨溫度明顯呈現(xiàn)非線性變化。其或多或少具有線性溫度依賴性，而術(shù)語“溫度特性”更適合使用 EIA II 類和 III 類電介質(zhì)的電容器，這些電容器的電容隨溫度明顯呈現(xiàn)非線性變化。

圖 10：[Vishay BC Components]D471K20Y5PH6UJ5R 陶瓷電容器的容差與溫度的關(guān)系。

例如，部件號(hào)[BC5214CT-ND]是一種陶瓷圓盤電容器，指定具有標(biāo)稱 470 pF 電容、+/-10% 容差和 Y5V 溫度特性。在指定的測(cè)試條件下測(cè)量，具有該 P/N 的器件應(yīng)表現(xiàn)出 423 pF 至 517 pF 之間的電容；這是設(shè)備容差，表明圖?? 10 左側(cè)圖表中紅線上的某個(gè)點(diǎn)應(yīng)該描述具有該部件號(hào)的設(shè)備。然而，Y5V 溫度特性表明，在 -30°C 至 +85°C 之間的溫度下測(cè)量時(shí)，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的值，器件電容可能會(huì)額外變化 +22%/-82%。換句話說，只要器件的電容與溫度關(guān)系圖（使用指定的測(cè)試信號(hào)、指定的溫度歷史記錄等進(jìn)行測(cè)量）符合規(guī)范，器件就可以滿足規(guī)范。) 垂直停留在藍(lán)框內(nèi)并穿過紅線；在盒子的水平（溫度）限制之外，一切都會(huì)發(fā)生。當(dāng)考慮到溫度特性時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)（標(biāo)稱）470 pF 電容器可以表現(xiàn)出 76 到 630 pF 之間的電容（25°C 除外），但仍完全在規(guī)格范圍內(nèi)。通過添加老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區(qū)別顯然非常重要；如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為設(shè)備的值將在標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)，那么他們可能會(huì)感到失望。比較零件編號(hào)比較零件編號(hào)比較零件編號(hào)在盒子的水平（溫度）限制之外，一切都會(huì)發(fā)生。當(dāng)考慮到溫度特性時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)（標(biāo)稱）470 pF 電容器可以表現(xiàn)出 76 到 630 pF 之間的電容（25°C 除外），但仍完全在規(guī)格范圍內(nèi)。通過添加老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區(qū)別顯然非常重要；如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為設(shè)備的值將在標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)，那么他們可能會(huì)感到失望。比較零件編號(hào)在盒子的水平（溫度）限制之外，一切都會(huì)發(fā)生。當(dāng)考慮到溫度特性時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)（標(biāo)稱）470 pF 電容器可以表現(xiàn)出 76 到 630 pF 之間的電容（25°C 除外），但仍完全在規(guī)格范圍內(nèi)。通過添加老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區(qū)別顯然非常重要；如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為設(shè)備的值將在標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)，那么他們可能會(huì)感到失望。比較零件編號(hào)我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)（標(biāo)稱）470 pF 電容器可以表現(xiàn)出 76 到 630 pF 之間的電容（25°C 除外），但仍完全符合規(guī)格。通過添加老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區(qū)別顯然非常重要；如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為設(shè)備的值將在標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)，那么他們可能會(huì)感到失望。比較零件編號(hào)我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)（標(biāo)稱）470 pF 電容器可以表現(xiàn)出 76 到 630 pF 之間的電容（25°C 除外），但仍完全符合規(guī)格。通過添加老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區(qū)別顯然非常重要；如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為設(shè)備的值將在標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)，那么他們可能會(huì)感到失望。比較零件編號(hào)通過添加老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區(qū)別顯然非常重要；如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為設(shè)備的值將在標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)，那么他們可能會(huì)感到失望。比較零件編號(hào)通過添加老化和電壓效應(yīng)作為變量，實(shí)際觀察到的電容可以在更寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)違反器件的指定限制。這里“耐受性”和“溫度特性”之間的區(qū)別顯然非常重要；如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為設(shè)備的值將在標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)，那么他們可能會(huì)感到失望。比較零件編號(hào)如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為設(shè)備的值將在標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)，那么他們可能會(huì)感到失望。比較零件編號(hào)如果應(yīng)用程序偏離室溫太多，設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為設(shè)備的值將在標(biāo)稱值的 10% 以內(nèi)，那么他們可能會(huì)感到失望。比較零件編號(hào)[490-3271-2-ND]和[490-5920-2-ND];兩個(gè) 0.1 uF、25 V 電容器均采用 EIA 0402 封裝。前者使用具有 Y5V 特性的 III 類電介質(zhì)，容差為 -20%~+80%，在撰寫本文時(shí)，每件數(shù)量的標(biāo)價(jià)為 0.00399 美元。后者使用具有 X5R 特性的 II 類電介質(zhì)，具有 +/-10% 的容差，售價(jià)為 0.00483 美元。圖 10 右側(cè)的圖表中繪制了因考慮溫度特性而產(chǎn)生的公差帶和窗口。與上一張圖表一樣，如果裝配線上下來的器件的實(shí)際電容隨溫度變化，則其符合規(guī)格。停留在各自的盒子內(nèi)并穿過垂直線@ 25°C。 X5R（II 類）器件比 Y5V（III 類）器件更接近標(biāo)稱值三倍以上，并且在更寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，而對(duì)于 II 類器件，由于制造變異性和溫度的綜合影響，最大和最小器件值之間的比率幾乎要小十倍。不到 1/10 美分就可以減少所需的設(shè)計(jì)余量、提高生產(chǎn)良率、降低測(cè)試要求、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命等。這樣的好處是值得每一分錢的，但它們的成本并不高。

電容電壓系數(shù)

陶瓷電容器的電容隨直流偏置電平的變化而變化。換句話說，使用平均為 0 V 的 1 V P-P大小波測(cè)量設(shè)備的電容將產(chǎn)生與使用直流偏移為 10 V 的 1 V 正弦波測(cè)試同一設(shè)備時(shí)不同（通常更大）的值。效應(yīng)源于由于施加電壓梯度而施加在電介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，因此與電介質(zhì)厚度/器件額定電壓成比例；在其他條件相同的情況下（很少有這種情況……），額定電壓為 100 V ~DC 的設(shè)備所需的直流偏置電壓是額定電壓為 25 V ~DC的設(shè)備的四倍~~為了表現(xiàn)出相同比例的電容變化。毫不奇怪，該效果也受到介電配方的影響。 EIA I 類電介質(zhì)表現(xiàn)出相對(duì)較小的電壓系數(shù)，當(dāng)直流偏置在設(shè)備額定電壓的 0% 和 100% 之間變化時(shí)，觀察到的電容通常最多變化幾個(gè)百分點(diǎn)（通常較小）。 EIA II 類電介質(zhì)明顯更容易受到 DC 偏壓的影響，電容變化約為 20-60%，這是正常情況。這種變化當(dāng)然不容小覷，但明顯比 EIA III 類電介質(zhì)所表現(xiàn)出的變化嚴(yán)重，后者通常表現(xiàn)出比額定電壓高出 80-90% 或更多的電容變化。不，這不是一個(gè)拼寫錯(cuò)誤；使用 EIA III 類電介質(zhì)材料的陶瓷電容器的有效電容可能會(huì)因?yàn)橹绷髌枚l(fā)生一個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。這種影響也可能是不利的非線性的；當(dāng)偏置僅達(dá)到其額定直流電壓的 20% 時(shí)，某些器件的電容可減少 75%。更糟糕的是，這種效應(yīng)是隨溫度效應(yīng)累積的（盡管不是線性相加的）。 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 靜電容量變化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 (-100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 靜電容量變化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 (-100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 靜電容量變化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 ([CGB2A1X5R1C105K033BC]）0603（[C1608X5R1C105K080AA]）0805（[C2012X5R1C105K085AA]）。

圖 11：封裝尺寸對(duì)直流偏置效應(yīng)的影響。來源：數(shù)據(jù)來自 TDK Components Characteristic Viewer 在線工具。

也許更令人驚訝（并且陰險(xiǎn)）的是直流偏置效應(yīng)的大小與器件封裝尺寸之間的關(guān)系。將越來越大的電容塞進(jìn)越來越小的封裝中，在某些方面需要做出妥協(xié)，如圖 11 所示，該圖顯示了來自同一制造商產(chǎn)品系列的三種不同 1 uF/16 V/X5R 電容器的電容變化與直流偏置的函數(shù)關(guān)系；它們之間的主要區(qū)別只是封裝尺寸。較小包裝的成本是顯而易見的；采用 EIA0805 封裝的器件（綠色）在 5 V 偏置下表現(xiàn)出幾個(gè)百分點(diǎn)的電容損失，而更激進(jìn)的 0402 封裝器件（藍(lán)色）在相同條件下?lián)p失了近 70%，而采用 0603 封裝的器件（紅色） ）介于兩者之間。認(rèn)識(shí)到許多應(yīng)用都涉及直流偏置和維護(hù)一些最小電容（例如低壓差穩(wěn)壓器的輸出濾波器）的興趣，因此，無知可能會(huì)帶來不愉快的損失，這是顯而易見的。不幸的是，這些電壓相關(guān)效應(yīng)的描述實(shí)際上并不是器件數(shù)據(jù)表的一部分，因此很容易忽視或忽視它們的存在，并使比較不同產(chǎn)品的工作變得復(fù)雜。但請(qǐng)放心，它們確實(shí)存在，并在選擇設(shè)備時(shí)牢記這一事實(shí)。很容易忽視或忽視它們的存在，并使比較不同產(chǎn)品的工作變得復(fù)雜。但請(qǐng)放心，它們確實(shí)存在，并在選擇設(shè)備時(shí)牢記這一事實(shí)。很容易忽視或忽視它們的存在，并使比較不同產(chǎn)品的工作變得復(fù)雜。但請(qǐng)放心，它們確實(shí)存在，并在選擇設(shè)備時(shí)牢記這一事實(shí)。

開裂

由于陶瓷材料的脆性和相對(duì)剛性，機(jī)械損傷是陶瓷電容器失效的主要原因。故障的電氣癥狀可能表現(xiàn)為電容減少以及短路或開路。在某些情況下，這些癥狀可能會(huì)隨著溫度等外部影響而出現(xiàn)或消失。有時(shí)，陶瓷電容器中的裂紋用肉眼就能看到，有時(shí)它們太小而看不見，或者隱藏在安裝設(shè)備的底部或端子的邊緣。機(jī)械損壞通常是通過以下幾種機(jī)制之一造成的：

• 組裝過程中或由于連接器配合力、粗暴搬運(yùn)等導(dǎo)致的電路板彎曲。
• 操作溫度循環(huán)或裝配操作產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
• 由于組裝前或組裝過程中處理不當(dāng)造成的直接損壞。

到目前為止，由于陶瓷材料、端子和 PCB 之間的緊密機(jī)械耦合，多層陶瓷芯片 (MLCC) 類型是最常見的裂紋受害者。通孔或引線框架安裝器件的相對(duì)較長(zhǎng)且靈活的端子減少了因溫度循環(huán)或電路板彎曲而施加到陶瓷電容器主體上的力，從而使這些器件不再需要擔(dān)心破裂。對(duì)于使用條件惡劣的應(yīng)用，可以使用在端子和陶瓷器件主體之間提高機(jī)械靈活性的 MLCC，以及旨在降低短路故障風(fēng)險(xiǎn)的器件。許多電容器破裂的原因都與裝配有關(guān)，超出了設(shè)計(jì)者的直接控制范圍；例如，裝配商有責(zé)任避免在拾取和放置操作期間壓碎和粉碎組件，并為所使用的裝配過程提供適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和冷卻時(shí)間。其他因素（例如焊膏用量/焊膏模板厚度）是共同的責(zé)任，而焊盤尺寸、電路板布局和封裝選擇等因素則完全取決于設(shè)計(jì)人員。 MLCC破裂現(xiàn)象及其避免的詳細(xì)討論可在行業(yè)文獻(xiàn)中找到，為簡(jiǎn)潔起見，在此不再重復(fù)。然而，設(shè)計(jì)師從這些來之不易的知識(shí)中提煉出的幾條經(jīng)驗(yàn)法則如下：以及為所使用的裝配工藝提供適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和冷卻時(shí)間。其他因素（例如焊膏用量/焊膏模板厚度）是共同的責(zé)任，而焊盤尺寸、電路板布局和封裝選擇等因素則完全取決于設(shè)計(jì)人員。 MLCC破裂現(xiàn)象及其避免的詳細(xì)討論可在行業(yè)文獻(xiàn)中找到，為簡(jiǎn)潔起見，在此不再重復(fù)。然而，設(shè)計(jì)師從這些來之不易的知識(shí)中提煉出的幾條經(jīng)驗(yàn)法則如下：以及為所使用的裝配工藝提供適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和冷卻時(shí)間。其他因素（例如焊膏用量/焊膏模板厚度）是共同的責(zé)任，而焊盤尺寸、電路板布局和封裝選擇等因素則完全取決于設(shè)計(jì)人員。 MLCC破裂現(xiàn)象及其避免的詳細(xì)討論可在行業(yè)文獻(xiàn)中找到，為簡(jiǎn)潔起見，在此不再重復(fù)。然而，設(shè)計(jì)師從這些來之不易的知識(shí)中提煉出的幾條經(jīng)驗(yàn)法則如下：MLCC裂紋現(xiàn)象及其避免的詳細(xì)討論可在行業(yè)文獻(xiàn)中找到，為簡(jiǎn)潔起見，此處不再重復(fù)。然而，設(shè)計(jì)師從這些來之不易的知識(shí)中提煉出的幾條經(jīng)驗(yàn)法則如下：MLCC破裂現(xiàn)象及其避免的詳細(xì)討論可在行業(yè)文獻(xiàn)中找到，為簡(jiǎn)潔起見，在此不再重復(fù)。然而，設(shè)計(jì)師從這些來之不易的知識(shí)中提煉出的幾條經(jīng)驗(yàn)法則如下：

• 選擇經(jīng)驗(yàn)豐富、注重質(zhì)量的裝配承包商。
• 避免熱沖擊；對(duì)于 MLCC 來說，波峰焊和傳統(tǒng)烙鐵是特別危險(xiǎn)的組裝和返工方法。
• 減小元件尺寸；較大的器件由于電路板彎曲而承受更大的應(yīng)力，并且更容易因熱沖擊而損壞。建議使用 0805（2012 公制）或更小包裝的設(shè)備。
• 組裝后分離鑲板時(shí)要格外小心，以避免板彎曲。沿著刻痕線手動(dòng)破壞陣列是最不受歡迎的方法，剪刀也緊隨其后。如果可能，請(qǐng)使用鋸或其他不會(huì)向 PCB 施加彎曲應(yīng)力的分離方法。
• 使 MLCC 遠(yuǎn)離電路板邊緣、連接器、安裝孔、大型/重型元件、面板選項(xiàng)卡或可能向 PCB 引入機(jī)械應(yīng)力的其他點(diǎn)。建議最小距離為 0.2 英寸或 5 毫米。

老化

陶瓷電容器會(huì)出現(xiàn)與介電晶體結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的老化現(xiàn)象，這表現(xiàn)為介電材料初始燒制后電容和損耗因數(shù)的變化。根據(jù)既定模式，EIA I 類電介質(zhì)受影響最小，并且被廣泛認(rèn)為不會(huì)老化，而 EIA II 類電介質(zhì)材料受到中等程度的影響，EIA III 類材料往往受到相當(dāng)嚴(yán)重的影響。通過暴露于高于電介質(zhì)居里溫度的溫度足夠長(zhǎng)的時(shí)間以允許晶體結(jié)構(gòu)重新形成，可以重置該老化過程（或器件“去老化”）；溫度越高，所需時(shí)間越短。由于許多陶瓷電介質(zhì)的居里溫度低于許多焊接工藝中遇到的居里溫度，因此器件在組裝過程中可能至少部分去老化。設(shè)備的這種老化行為通常以每十小時(shí)電容變化的百分比來表示，相對(duì)于“最后一次加熱”時(shí)測(cè)量的電容；上次將器件加熱到居里溫度以上足夠長(zhǎng)的時(shí)間以完全改變其晶體結(jié)構(gòu)時(shí)。換句話說，老化率為 (-) 5% 且在“新鮮烤箱”狀態(tài)下測(cè)量為 100 uF 的電容器在從烤箱中取出 1、10 和 10 年后預(yù)計(jì)測(cè)量值約為 95、90 和 85 uF。分別為100小時(shí)。顯然，這引起了設(shè)備的標(biāo)稱電容應(yīng)該是多少的問題，如果該數(shù)量不斷變化，即使設(shè)備以其原始包裝放置在架子上未使用。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) EIA-521 和 IEC-384-9 談到了這個(gè)問題，主要規(guī)定設(shè)備應(yīng)在最后一次加熱后 1000 小時(shí)（約 42 天）內(nèi)滿足其指定的容差值。接下來的十年時(shí)間標(biāo)記（10K 和 100K 小時(shí)）分別相當(dāng)于 1 年多一點(diǎn)和 11 年多一點(diǎn)。使事情變得復(fù)雜的是，老化過程以與溫度相關(guān)的速率進(jìn)行。當(dāng)達(dá)到電介質(zhì)的居里溫度時(shí)，器件溫度的升高通常會(huì)加速老化過程。由于老化現(xiàn)象可能導(dǎo)致設(shè)備看起來超出其規(guī)定的公差，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)測(cè)試人員必須注意這一事實(shí)；最近回流組件的測(cè)試應(yīng)該預(yù)期電容值有點(diǎn)高，并且設(shè)計(jì)應(yīng)該有足夠的余量，以便隨著設(shè)備老化而正常工作。電源轉(zhuǎn)換電路是這種效應(yīng)可能造成嚴(yán)重危險(xiǎn)的一個(gè)很好的例子，因?yàn)樘沾呻娙萜魍ǔＷ罱K會(huì)對(duì)此類電路的控制環(huán)路產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，無論是作為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組件還是作為濾波器元件。在組裝過程中電容器去老化的影響下看起來穩(wěn)定的系統(tǒng)可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而變得不穩(wěn)定，因?yàn)槔匣斐傻碾娙輷p失會(huì)影響控制環(huán)路的動(dòng)態(tài)。最重要的是，如果隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定的電容值很重要，則應(yīng)避免明顯老化的電容器。西西弗斯是21世紀(jì)的人物嗎？他的任務(wù)可能是調(diào)整使用表面貼裝 Y5V 陶瓷片電容器構(gòu)建的有源濾波器……

壓電效應(yīng)/麥克風(fēng)效應(yīng)

IEC 2 類（EIA II 類和 III 類）陶瓷電介質(zhì)本質(zhì)上具有壓電特性，因此在電氣和機(jī)械領(lǐng)域之間產(chǎn)生了重要的傳導(dǎo)機(jī)制。在壓電材料上施加電壓會(huì)導(dǎo)致機(jī)械變形，相反，使壓電材料機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致其上出現(xiàn)電壓。由于電容器和 PCB 之間的機(jī)械耦合緊密，這對(duì)于表面貼裝 MLCC 來說尤其可能存在問題。一方面，施加在電容器上的紋波電壓可能會(huì)轉(zhuǎn)化為令人煩惱的可聽噪聲；另一方面，外部機(jī)械振動(dòng)可以作為信號(hào)耦合到電子電路中。基于 1 類電介質(zhì)的陶瓷電容器受到的影響最小，因?yàn)檫@些電介質(zhì)幾乎沒有壓電效應(yīng)。然而，通過靜電效應(yīng)（所有電容器所固有）的機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制仍然存在，因此雖然對(duì)于 I 類設(shè)備來說通常可以忽略不計(jì)，但顫噪效應(yīng)仍然存在。

電極冶金

MLCC 中的電極材料遵循兩種通用冶金路徑之一，稱為貴金屬電極 (NME) 或賤金屬電極 (BME) 系統(tǒng)。雖然這不是大多數(shù)應(yīng)用的通用選擇標(biāo)準(zhǔn)，但這兩種技術(shù)確實(shí)導(dǎo)致了值得注意的不同特征。貴金屬電極通常基于鈀銀合金，也可以稱為貴金屬電極（PME），因?yàn)橘F金屬（相對(duì)不活潑的金屬，特別是與氧的反應(yīng)性相對(duì)較低的金屬）也往往很昂貴。由于使用這些電極材料是因?yàn)樗鼈兊姆磻?yīng)性低，而不是因?yàn)樗鼈儼嘿F，因此可以說前一個(gè)術(shù)語是正確的，盡管原因和營(yíng)銷似乎在這一點(diǎn)上存在分歧……賤金屬電極通常是鎳基的。從生產(chǎn)的角度來看，當(dāng)前的重要問題是電極金屬在燒制陶瓷介電材料所需的高溫下如何發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；貴金屬電極系統(tǒng)可以在高溫下耐受更多氧氣的存在，因此可以使用空氣氣氛窯和需要氧氣正確固化的介電配方來制造。賤金屬電極系統(tǒng)在高溫下對(duì)氧氣的耐受性不同，因此必須使用不同的設(shè)備和介電配方進(jìn)行制造。 NME方式是最初采取的路線，在可靠性和積累的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。因此，在撰寫本文時(shí)，許多高可靠性和軍用規(guī)格的產(chǎn)品都是使用此工藝生產(chǎn)的。主要缺點(diǎn)是電極材料成本高，并且相對(duì)于 BME 器件，單位體積可實(shí)現(xiàn)的電容較低，這是由于特性材料和工藝差異導(dǎo)致 NME 器件中通常使用較厚的介電層。

設(shè)備功能、選項(xiàng)和目標(biāo)應(yīng)用

汽車

以“汽車”類型銷售的電容器設(shè)計(jì)用于機(jī)械要求較高的環(huán)境，例如汽車。通常，它們還根據(jù)某些協(xié)議進(jìn)行生產(chǎn)和測(cè)試，例如汽車電子委員會(huì)制定的 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各種應(yīng)力機(jī)制的測(cè)試方法和性能水平，例如 ESD、施加到端子的機(jī)械力、浪涌電壓等

受控ESR

指定為“受控 ESR”類型的電容器在設(shè)計(jì)時(shí)故意添加了少量 ESR，以降低由電容及其寄生電感產(chǎn)生的 LC 電路的“Q”系數(shù)。這對(duì)于電源軌去耦等應(yīng)用很有幫助，其中適量 ESR 的存在可以抑制具有跡線電感的電容器的“振鈴”，或者有助于避免并聯(lián)電容器之間的反諧振情況。

可環(huán)氧樹脂安裝

指定為可環(huán)氧樹脂安裝的設(shè)備設(shè)計(jì)為使用導(dǎo)電粘合劑而不是通常的焊接工藝進(jìn)行安裝。區(qū)別主要在于端子表面電鍍所使用的材料不同，以便為所使用的安裝方法提供良好的粘合效果；標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝不適用于環(huán)氧樹脂安裝設(shè)備，反之亦然。環(huán)氧樹脂安裝對(duì)于遭受大而頻繁的溫度波動(dòng)的應(yīng)用（例如汽車應(yīng)用）是有益的，其中環(huán)氧樹脂接頭相對(duì)于焊點(diǎn)增加了機(jī)械靈活性，減少了由于電路板之間的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，焊點(diǎn)和電容器體。環(huán)氧樹脂安裝對(duì)于熱敏感應(yīng)用（例如 LCD 面板）也很有用。

浮動(dòng)電極

指定為“浮動(dòng)電極”類型的設(shè)備實(shí)際上由與內(nèi)部電極串聯(lián)的多個(gè)電容器組成，這些電容器不連接到任一設(shè)備端子，而是保持“浮動(dòng)”。這種構(gòu)造方法的目的主要是為了降低短路故障模式的風(fēng)險(xiǎn)，短路故障模式通常是電容器破裂的二次效應(yīng)而發(fā)生的，盡管它也具有抗 ESD 和浪涌電壓的穩(wěn)健性方面的優(yōu)點(diǎn)。

高溫

被指定為“高溫”類型的設(shè)備（毫不奇怪）適用于溫度高于大多數(shù)電子設(shè)備所遇到的溫度的應(yīng)用。通常，這也意味著“寬溫度范圍”，因?yàn)榫哂写嗣Q的設(shè)備往往也指定用于電子設(shè)備常見工作溫度范圍的下限。該名稱的不明顯之處在于，大多數(shù)帶有該名稱的設(shè)備在溫度和直流偏置方面都表現(xiàn)出相當(dāng)令人印象深刻的參數(shù)穩(wěn)定性。

高壓/Arc Guard?/Arc Shield?

具有“高電壓”和/或?qū)Ｓ蟹离娀∶Q的電容器設(shè)計(jì)用于超出電子設(shè)備典型電壓的應(yīng)用電壓。盡管分界線似乎落在 100 V 至 1 kV 范圍內(nèi)，但制造商之間對(duì)“高壓”的定義有所不同。在這樣的電勢(shì)下，MLCC 技術(shù)開始遭受端子之間或端子與通過設(shè)備外殼連接到另一個(gè)端子的電極之間的表面電弧的困擾。這當(dāng)然不是一件好事。雖然表面電弧對(duì)于任何在足夠高的電壓下的組件來說都是一個(gè)問題，但 MLCC 技術(shù)特別容易受到攻擊，因?yàn)槠渚o湊的結(jié)構(gòu)必然使兩個(gè)器件端子及其連接的電極非常接近，增加電介質(zhì)擊穿和電弧的風(fēng)險(xiǎn)。增加設(shè)備尺寸來進(jìn)行補(bǔ)償是一種選擇，但其代價(jià)是設(shè)備破裂的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。設(shè)備如[Arc Guard?]和[Arc Shield?]系列產(chǎn)品旨在減輕這些影響，并改善介電擊穿故障風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)械裂紋風(fēng)險(xiǎn)之間的權(quán)衡方程。

高Q值/低損耗/低損耗因數(shù)

以高 Q、低損耗或低耗散因數(shù)類型銷售的器件旨在最大限度地降低 ESR。通常，這些器件由 I 類介電材料制成，用于 RF 或其他高頻應(yīng)用，在這些應(yīng)用中需要接近理想的電容器來實(shí)現(xiàn)鑒頻目的。

集成泄放電阻

具有此名稱的設(shè)備集成了并聯(lián)電阻器，以確保設(shè)備斷電時(shí)電容器上不會(huì)殘留或累積電荷。截至撰寫本文時(shí)，DigiKey 僅列出了 3 個(gè)帶有此名稱的部件號(hào)，所有這些部件都是非庫(kù)存且價(jià)格昂貴。為什么？嗯，這些設(shè)備的數(shù)據(jù)表的營(yíng)銷（第一）頁(yè)上列出的建議應(yīng)用包括“引爆裝置”和“電子引信”，這與您在大多數(shù)電容器數(shù)據(jù)表上看到的類型并不完全一樣。 （不，應(yīng)用筆記不可用......）

低ESL

低 ESL 陶瓷電容器旨在最大限度地減少串聯(lián)電感。對(duì)于表面貼裝 MLCC，大部分電感并不是部件本身固有的，而是與封裝的幾何形狀以及將其連接到電路的引線有關(guān)。因此，低 ESL MLCC 大部分是標(biāo)準(zhǔn)器件的幾何和引線配置變體。多端子低 ESL 器件為每個(gè)邏輯電容器端子使用多個(gè)物理端子，并以這樣的方式交錯(cuò)它們，使進(jìn)入和離開器件的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在很大程度上抵消，從而降低電感。反向幾何陶瓷電容器將器件端子放置在電容器的長(zhǎng)邊上，而不是像其他器件的標(biāo)準(zhǔn)做法那樣放置在電容器的兩端。堆疊式低 ESL 陶瓷電容器將多個(gè) MLCC 器件連接在一個(gè)引線框架上，這樣可以將它們作為一個(gè)單元進(jìn)行處理和組裝，并具有降低破裂和顫噪效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)點(diǎn)。將此類器件描述為“低 ESL”是一種營(yíng)銷策略，因?yàn)樗挥性谂c不同電容器技術(shù)進(jìn)行蘋果與橘子比較的情況下才準(zhǔn)確。相對(duì)于直接安裝到 PCB 的相同陶瓷電容器，安裝的器件在引線框架上（將它們提升到電路板上方）將表現(xiàn)出明顯更高的 ESL。低 ESL MLCC 的 X2Y 描述符是一個(gè)商標(biāo)，不應(yīng)與類似外觀的安全指示符（例如“X1Y2”）混淆。就使用原因而言，這兩個(gè)設(shè)備組之間存在一些遠(yuǎn)程相似之處，這些設(shè)備本身是完全不同的。低 ESL X2Y 電容器的額定電壓低至 6.3V，并且允許每次發(fā)生短路故障，而安全級(jí)器件必須能夠承受 kV 級(jí)浪涌，并避免像瘟疫一樣的短路故障模式。也就是說，X2Y 低 ESR 電容器在低壓電源去耦、共模濾波和類似應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。它們的顯著特征是 4 端結(jié)構(gòu)；兩個(gè)端子電連接，既充當(dāng)“直通”連接，又充當(dāng)器件內(nèi)兩個(gè)單獨(dú)電容器的公共端子，每個(gè)電容器使用剩余端子之一作為其第二電極連接。這種布置的幾何形狀可以減少去耦應(yīng)用中與布局相關(guān)的電感，共模抑制等

低調(diào)

薄型電容器比長(zhǎng)度和寬度相當(dāng)?shù)牡湫推骷。员阌谠诟叨认拗茋?yán)格的應(yīng)用中使用。提供厚度測(cè)量小至 0.006 英寸（0.15 毫米）的設(shè)備。應(yīng)該指出的是，這些器件厚度的減小使得它們更容易因電路板彎曲而破裂，鑒于應(yīng)用需要額外減少一毫米或兩毫米的高度，因此仔細(xì)的設(shè)計(jì)、組裝和處理程序就顯得尤為重要。這些設(shè)備也可能使用更薄（因而更靈活）的電路基板。

軍隊(duì)

指定為“軍用”并根據(jù)美國(guó)軍方標(biāo)準(zhǔn)化零件編號(hào)方案采購(gòu)的產(chǎn)品均按照軍方制定的規(guī)格生產(chǎn)，以確保多個(gè)供應(yīng)來源的產(chǎn)品一致性。傳統(tǒng)的“軍用規(guī)格”標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了生產(chǎn)內(nèi)容，還規(guī)定了生產(chǎn)方式，以確保不同供應(yīng)商產(chǎn)品的一致性和可互換性。較新的 MIL-PRF 標(biāo)準(zhǔn)是基于性能的，并指定產(chǎn)品必須如何執(zhí)行，而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確方法主要取決于制造商。后一種方法提供的靈活性為采用新技術(shù)和制造工藝提供了更大的余地，但制造商之間和隨著時(shí)間的推移產(chǎn)品行為變化的風(fēng)險(xiǎn)有所增加。在任一情況下，由于涉及廣泛的測(cè)試和文檔要求，按照軍用規(guī)格采購(gòu)的“真正”軍用產(chǎn)品往往成本相當(dāng)高。作為中間立場(chǎng)，可以使用按照軍用規(guī)格生產(chǎn)但作為標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)產(chǎn)品銷售的產(chǎn)品，盡管沒有大量文檔。

無磁

非磁性電容器由既不會(huì)被磁鐵吸引也不會(huì)受到磁鐵不利影響的材料制成，并且不會(huì)影響它們所在的磁場(chǎng)。它們通常在制造后進(jìn)行篩選，以確保最終產(chǎn)品保留這些特性。此類產(chǎn)品用于醫(yī)療成像和診斷設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備以及其他不希望設(shè)備受到磁場(chǎng)影響或保留會(huì)影響應(yīng)用電路或其他設(shè)備操作的磁場(chǎng)的應(yīng)用。

開放方式

作為“開放模式”器件銷售的 MLCC 旨在降低因機(jī)械破裂而可能發(fā)生的短路或低阻抗故障模式的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的常用方法是減少兩組電極之間的重疊面積，使得電路板應(yīng)力裂紋的典型路徑不會(huì)穿過電極重疊的區(qū)域。這樣做會(huì)減少電容器內(nèi)可用的有源面積，從而減少給定封裝尺寸中可實(shí)現(xiàn)的最大電容值。這種方法可以與浮動(dòng)電極和軟端接技術(shù)相結(jié)合，以進(jìn)一步降低與裂紋引起的 MLCC 故障相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。雖然開路模式 MLCC 大大降低了短路故障的風(fēng)險(xiǎn)，需要指出的是，此類故障發(fā)生的概率仍然不為零。如果必須進(jìn)一步降低短路故障的概率，行業(yè)文獻(xiàn)中建議使用兩個(gè)彼此成 90° 的串聯(lián)裝置。

軟/靈活端接

市場(chǎng)上銷售的具有軟或柔性端子的 MLCC 旨在提供金屬端子和陶瓷電容器主體之間的粘合，這種粘合比標(biāo)準(zhǔn) MLCC 中的粘合更符合機(jī)械要求。這樣可以減少由于電路板彎曲或溫度循環(huán)而施加到陶瓷材料上的應(yīng)力，從而降低開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

什么是[雙電層電容器]？

雙電層和超級(jí)電容器：

裝置構(gòu)造及顯著特征：

雙電層電容器 (ELDC) 和超級(jí)電容器是一組類似電解的設(shè)備，其特點(diǎn)是單位體積電容極高，額定電壓低（通常不超過幾伏）。這些設(shè)備的構(gòu)造類型和操作原理各不相同，并且是正在進(jìn)行的研發(fā)工作的主題，但其中發(fā)現(xiàn)的共同主題是使用單位體積提供極高表面積的電極材料（例如活性炭、氣凝膠等）和不存在傳統(tǒng)的固體電介質(zhì)。 ELDC、超級(jí)電容器和其他名稱的類似器件取代了其他電容器類型中的傳統(tǒng)陶瓷、聚合物或金屬氧化物電介質(zhì)，它們依靠各種電化學(xué)、靜電和電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)來提供極小的電荷分離距離；電容器“極板”之間的距離通常以納米為單位來測(cè)量。出于實(shí)際目的，ELDC、超級(jí)電容器和不同名稱的類似設(shè)備可以被視為傳統(tǒng)電容器和二次（可充電）電池之間的一種中間地帶。它們的儲(chǔ)能密度高于傳統(tǒng)電容器，但低于電化學(xué)電池，ESR 值按電容器標(biāo)準(zhǔn)較高，但按電化學(xué)電池標(biāo)準(zhǔn)較低，并且與化學(xué)電池的循環(huán)壽命只有幾倍相比，它們的循環(huán)壽命幾乎無限期。數(shù)百到數(shù)千個(gè)周期。與電化學(xué)電池一樣，多個(gè) ELDC 可以集成到單個(gè)封裝中，以產(chǎn)生具有更高標(biāo)稱電壓的復(fù)合器件。相對(duì)于其他電容器類型，高 ESR 和較差的線性特性相結(jié)合，使得 ELDC 和超級(jí)電容器不適合大多數(shù)信號(hào)和高頻 (>kHz) 應(yīng)用，但它們對(duì)于人類尺度時(shí)間范圍內(nèi)的能量存儲(chǔ)非常有用。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，有一系列針對(duì)不同應(yīng)用的設(shè)備。較小的器件可能具有高達(dá)幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級(jí)電流要求的存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘備份電源等應(yīng)用。另一端是具有分?jǐn)?shù)毫歐 ESR 的設(shè)備，旨在用于電流高達(dá)數(shù)百安培的應(yīng)用，例如車輛的再生制動(dòng)系統(tǒng)。但它們對(duì)于人類尺度時(shí)間范圍內(nèi)的能量存儲(chǔ)非常有用。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，有一系列針對(duì)不同應(yīng)用的設(shè)備。較小的器件可能具有高達(dá)幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級(jí)電流要求的存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘備份電源等應(yīng)用。另一端是具有分?jǐn)?shù)毫歐 ESR 的設(shè)備，旨在用于電流高達(dá)數(shù)百安培的應(yīng)用，例如車輛的再生制動(dòng)系統(tǒng)。但它們對(duì)于人類尺度時(shí)間范圍內(nèi)的能量存儲(chǔ)非常有用。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，有一系列針對(duì)不同應(yīng)用的設(shè)備。較小的器件可能具有高達(dá)幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級(jí)電流要求的存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘備份電源等應(yīng)用。另一端是具有分?jǐn)?shù)毫歐 ESR 的設(shè)備，旨在用于電流高達(dá)數(shù)百安培的應(yīng)用，例如車輛的再生制動(dòng)系統(tǒng)。適用于具有 uA 級(jí)電流要求的存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘備份電源等應(yīng)用。另一端是具有分?jǐn)?shù)毫歐 ESR 的設(shè)備，旨在用于電流高達(dá)數(shù)百安培的應(yīng)用，例如車輛的再生制動(dòng)系統(tǒng)。適用于具有 uA 級(jí)電流要求的存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘備份電源等應(yīng)用。另一端是具有分?jǐn)?shù)毫歐 ESR 的設(shè)備，旨在用于電流高達(dá)數(shù)百安培的應(yīng)用，例如車輛的再生制動(dòng)系統(tǒng)。

可用電容和電壓范圍：

圖 12 顯示了撰寫本文時(shí) DigiKey 庫(kù)存中的 ELDC 和超級(jí)電容器的電壓和電容額定值。請(qǐng)注意，垂直刻度的單位為法拉，與類似圖表中的微法單位相反。

圖 12：撰寫本文時(shí)可通過 DigiKey 獲取 ELDC/超級(jí)電容器及其陣列的電容值與額定電壓圖。

常見故障機(jī)制/關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素：

ELDC/超級(jí)電容器保護(hù)傘下的器件之間的技術(shù)差異阻礙了對(duì)整個(gè)組的故障機(jī)制和關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素的詳細(xì)討論。然而，從應(yīng)用的角度來看，足以注意到適用于鋁電解電容器的問題或多或少直接轉(zhuǎn)移到 ELDC 和超級(jí)電容器：

• 它們含有易蒸發(fā)的液體電解質(zhì)溶液，阿累尼烏斯經(jīng)驗(yàn)法則預(yù)測(cè)溫度每升高 10°C，器件壽命將減半。應(yīng)該注意的是，許多 ELDC/超級(jí)電容器的溫度額定值相對(duì)較低，并且在涉及長(zhǎng)時(shí)間充電循環(huán)的應(yīng)用中，自熱效應(yīng)可能變得顯著。此外，許多板上安裝的設(shè)備不能承受回流焊接工藝，因此在組裝過程中可能需要特別小心。
• 它們不應(yīng)在高于額定電壓的情況下運(yùn)行。這樣做會(huì)因電解液損失和/或介電擊穿而導(dǎo)致故障。這對(duì)于采用有機(jī)電解質(zhì)的設(shè)備尤其重要，因?yàn)楣收掀陂g釋放的材料可能具有相當(dāng)?shù)亩拘浴?/li>
• 它們表現(xiàn)出顯著的介電吸收和器件特性隨溫度變化的變化。此外，ELDC/超級(jí)電容器的漏電流通常相當(dāng)高，特別是在由串聯(lián)電容器組成的復(fù)合器件中。通常，此類設(shè)備需要某種形式的電路來平衡施加到每個(gè)設(shè)備的電壓，以避免任何給定電池上因容量或泄漏電流不平衡而導(dǎo)致的過壓情況。
• 根據(jù) Q=C*V 方程，電容器在充電狀態(tài)和輸出電壓之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。這與電化學(xué)電池不同，電化學(xué)電池的輸出電壓通常具有較寬的、或多或少平坦的平臺(tái)，作為其充電狀態(tài)的函數(shù)。在許多/大多數(shù)應(yīng)用中，這意味著需要某種形式的電源管理電路來充分利用 ELDC/超級(jí)電容器的全部容量。

什么是[薄膜電容器]？

圖 13：各種封裝樣式和引線配置的薄膜電容器示例。 （不按比例）

裝置構(gòu)造

薄膜電容器類別中的設(shè)備本質(zhì)上是靜電的，并使用介電材料（例如紙或各種聚合物）制成，這些材料形成薄片或“薄膜”并與電極材料交錯(cuò)形成電容器。術(shù)語“薄膜電容器”通常指使用此類工藝制造的任何器件，術(shù)語“薄膜”是指所用介電材料的性質(zhì)。當(dāng)術(shù)語“金屬”用作“薄膜”的限定詞（如“金屬薄膜”或“金屬化薄膜”）時(shí)，它更具體地指的是薄膜電容器子類型，其中電極構(gòu)建在支撐基板上通常通過真空沉積工藝形成非常薄的（十納米）層。經(jīng)常使用的基板也用作電容器的介電材料，盡管情況并非總是如此。相比之下，“箔”電極電容器使用的電極材料更類似于家用鋁箔，其厚度足夠（微米量級(jí)）以實(shí)現(xiàn)機(jī)械自支撐。

圖 14：薄膜電容器中金屬薄膜和箔電極類型之間的區(qū)別圖解。

基于金屬膜電極的薄膜電容器具有能夠自愈的優(yōu)點(diǎn)；電介質(zhì)中局部故障附近的電極材料足夠薄，可以被故障引起的漏電流蒸發(fā)，從而消除（或“清除”）它，但代價(jià)是損失一些電容。這種自愈能力允許使用比由于可靠性或生產(chǎn)良率問題而可能采用的更薄的電介質(zhì)，并導(dǎo)致單位體積的高電容。箔電極電容器的優(yōu)點(diǎn)是，較厚的電極會(huì)導(dǎo)致較低的 ESR，從而提供更好的 RMS 和脈沖電流處理能力，但代價(jià)是自愈能力和單位體積可實(shí)現(xiàn)電容的減少。基本薄膜和箔電極類型的許多巧妙組合和調(diào)整是常用的。例如，箔和薄膜電極通常使用“浮動(dòng)電極”配置組合在單個(gè)設(shè)備中，該配置（如類似指定的陶瓷電容器）實(shí)際上是兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的電容器。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常采用的技術(shù)是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當(dāng)熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。減少。箔和薄膜電極通常使用“浮動(dòng)電極”配置組合在單個(gè)設(shè)備中，該配置（如類似指定的陶瓷電容器）實(shí)際上是兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的電容器。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常采用的技術(shù)是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當(dāng)熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。減少。箔和薄膜電極通常使用“浮動(dòng)電極”配置組合在單個(gè)設(shè)備中，該配置（如類似指定的陶瓷電容器）實(shí)際上是兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的電容器。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常采用的技術(shù)是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當(dāng)熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。減少。它（與類似的陶瓷電容器一樣）實(shí)際上是兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的電容器。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常采用的技術(shù)是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當(dāng)熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。減少。它（與類似的陶瓷電容器一樣）實(shí)際上是兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的電容器。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常采用的技術(shù)是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當(dāng)熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。減少。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常采用的技術(shù)是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當(dāng)熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。減少。通過將“外部”電極制成箔型，將“浮動(dòng)”電極制成薄膜型，可以實(shí)現(xiàn)一種具有良好電流處理能力、自愈能力和提高單位體積電容的電容器。另一種經(jīng)常采用的技術(shù)是使用圖案化薄膜電極。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當(dāng)熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。減少。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當(dāng)熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。減少。通過將電極分成許多互連的部分，互連可以充當(dāng)熔斷器，在自愈事件期間限制故障部位可用的電流量，從而降低級(jí)聯(lián)或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。減少。

常見用法和應(yīng)用：

某種形式的薄膜電容器是涉及施加到設(shè)備的電壓反轉(zhuǎn)的電源應(yīng)用中的主要電容器技術(shù)。金屬化薄膜類型由于其自愈特性以及在許多故障條件下無法打開的能力而非常適合安全評(píng)級(jí)的應(yīng)用。金屬箔類型通常用于需要較高紋波電流幅度的應(yīng)用，例如啟動(dòng)/運(yùn)行交流電機(jī)或?yàn)榇笕萘颗潆娞峁┤菘埂４送猓∧る娙萜魍ǔＳ糜谛枰鄬?duì)較高電容值以及溫度范圍內(nèi)的線性度和穩(wěn)定性的低壓信號(hào)應(yīng)用，例如模擬音頻處理設(shè)備。在諸如直流總線濾波等設(shè)備極性不反轉(zhuǎn)的應(yīng)用中，薄膜電容器可以替代鋁電解電容器（反之亦然）。將薄膜電容器與具有相似電壓和電容額定值的鋁電解電容器進(jìn)行比較時(shí)，薄膜電容器往往體積更大，成本更高，大約為 10 倍，但 ESR 值卻低大約 100 倍。液體電解質(zhì)消除了鋁電解器件在低溫下遇到的干涸和ESR增加的問題，并且它們不會(huì)像鋁電解器件那樣在長(zhǎng)期停用期間遭受介電退化。此外，薄膜電容器較低的 ESR 特性可能允許使用比某些應(yīng)用中電解裝置所需的更小的電容值，抵消了薄膜技術(shù)相對(duì)于電解技術(shù)的成本劣勢(shì)。

常見故障機(jī)制/關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素：

盡管薄膜電容器通常非常耐用，但它們?nèi)菀资艿揭恍╅L(zhǎng)期磨損機(jī)制的影響。隨著時(shí)間的推移，所使用的介電材料會(huì)變?nèi)酢⒆兇啵淠蛪耗芰σ矔?huì)下降，最終導(dǎo)致介電擊穿失效。溫度和電壓應(yīng)力會(huì)加速該過程，降低其中任何一個(gè)都可以延長(zhǎng)使用壽命。根據(jù)電介質(zhì)擊穿事件的嚴(yán)重程度，所表現(xiàn)出的故障模式范圍可以從相對(duì)良性到相當(dāng)嚴(yán)重。通過薄膜電容器的自愈特性來阻止的輕度擊穿事件將表現(xiàn)為電容的逐漸減小。隨著時(shí)間的推移，越來越多的此類事件發(fā)生，累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電容減少和 ESR 增加，直到設(shè)備的性能不再符合規(guī)格并且被認(rèn)為在參數(shù)上出現(xiàn)故障。在更極端的情況下，如果參數(shù)故障的設(shè)備不從服務(wù)中移除，則可能會(huì)發(fā)生參數(shù)故障，當(dāng)自愈過程中釋放的熱能促使附近出現(xiàn)額外的電介質(zhì)擊穿時(shí)，可能會(huì)發(fā)生級(jí)聯(lián)故障。由于自愈事件會(huì)從電路中移除部分電容器，因此隨著自愈的進(jìn)行，應(yīng)用應(yīng)力會(huì)重新分布在器件不斷縮小的部分上，從而導(dǎo)致施加在器件上仍有效的部分上的應(yīng)力增加電路內(nèi)。然后電容器的下一個(gè)最薄弱的部分就會(huì)失效，將其負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)嫁給剩下的部分，從而引發(fā)更多的擊穿事件，更多的應(yīng)力集中，以指數(shù)方式發(fā)生更多故障事件等。如果這個(gè)過程發(fā)生得足夠快，自愈過程中產(chǎn)生的氣態(tài)副產(chǎn)品就會(huì)產(chǎn)生足夠的壓力，使設(shè)備的外殼劇烈破裂。較大的設(shè)備通常包括一個(gè)通風(fēng)機(jī)構(gòu)，以限制/防止發(fā)生這種情況時(shí)飛濺碎片造成的附帶損壞，并且還可能包括一個(gè)熔斷機(jī)構(gòu)，以在發(fā)生內(nèi)部過壓情況時(shí)將設(shè)備從電路中移除。請(qǐng)注意，如果參數(shù)發(fā)生故障的設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，則由于重復(fù)自愈而導(dǎo)致的參數(shù)故障可能只是導(dǎo)致更具災(zāi)難性、爆炸性故障的一個(gè)路徑點(diǎn)。當(dāng)超過峰值電流限制時(shí)，薄膜電容器中會(huì)出現(xiàn)另一種過應(yīng)力失效模式，由于電容器“極板”與外部引線連接的區(qū)域存在類似保險(xiǎn)絲的作用。這對(duì)于金屬化薄膜類型來說尤其常見，因?yàn)樗鼈兊碾姌O厚度非常小，并且與外界的連接非常脆弱。許多薄膜型電容器都會(huì)指定施加在電容器上的最大電壓變化率 (dV/dt)。這相當(dāng)于指定通過器件的峰值電流，因?yàn)?I(t)=C*dV/dt，盡管電壓通常比電流更方便測(cè)量。環(huán)境條件也會(huì)影響薄膜電容器的壽命。與其他設(shè)備一樣，高溫會(huì)大大縮短設(shè)備的使用壽命。薄膜設(shè)備更獨(dú)特的是容易受潮。長(zhǎng)時(shí)間暴露在高濕度環(huán)境或組裝后清洗周期可能會(huì)導(dǎo)致濕氣通過器件引線周圍的環(huán)氧樹脂金屬密封件的缺陷或通過器件的聚合物外殼擴(kuò)散而進(jìn)入器件。濕氣進(jìn)入在幾個(gè)方面都是不好的；它既會(huì)降解介電材料，又會(huì)促進(jìn)電極材料的腐蝕。特別是在電極厚度只有幾十納米的金屬膜型設(shè)備中，只需很少的腐蝕就會(huì)引起問題。此外，高振動(dòng)環(huán)境也可能會(huì)帶來麻煩，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致器件引線、引線和電極之間的連接發(fā)生機(jī)械故障，或者加劇濕氣進(jìn)入問題。薄膜電容器可靠性和壽命的主導(dǎo)因素是施加電壓，其次是溫度。供應(yīng)商的使用壽命模型各不相同，但通常都是基于將額定電壓與施加電壓的比率取為一個(gè)大指數(shù)（通常在 5 到 10 之間），而溫度的影響則遵循阿倫尼烏斯關(guān)系，即每 10 變化 2 倍°C 溫度增量。在這兩種影響之間，電壓降額 30% 和溫度降額 20°C 會(huì)使使用壽命估計(jì)值增加近兩位小數(shù)。將電壓降額 30% 并將溫度降額 20°C 會(huì)使使用壽命估計(jì)值增加近兩位小數(shù)。將電壓降額 30% 并將溫度降額 20°C 會(huì)使使用壽命估計(jì)值增加近兩位小數(shù)。

電介質(zhì)類型、特性和目標(biāo)應(yīng)用：

丙烯酸纖維：

丙烯酸酯材料作為薄膜電容器的介電材料相對(duì)較新。目前可用的器件通常作為陶瓷電介質(zhì)的回流兼容薄膜替代品銷售，以避免壓電效應(yīng)和直流偏壓造成的電容損失，或者作為較低 ESR 的鉭替代品。

紙：

牛皮紙是最早用于薄膜電容器的介電材料之一，因?yàn)樗诂F(xiàn)代聚合物發(fā)展之前成本低廉且易于使用。通常用蠟、各種油或環(huán)氧樹脂浸漬來填充空隙并抑制吸濕性，其低介電強(qiáng)度和高吸濕性導(dǎo)致紙張作為介電材料在很大程度上失寵，盡管它在以下應(yīng)用中的用途仍然有限對(duì)成本極其敏感或?qū)εf規(guī)范的變更極其難以實(shí)現(xiàn)的情況。由于與聚合物材料相比，金屬膜可以相對(duì)容易地應(yīng)用于紙張，因此紙張本身有時(shí)不用作介電材料，而是用作金屬化電極材料的機(jī)械載體，使用非金屬化聚合物（例如聚丙烯）作為實(shí)際電介質(zhì)。

聚酯/聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET)：

聚酯，也稱為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或 PET，與聚丙烯一樣，是薄膜電容器中最常用的介電材料之一。相對(duì)于聚丙烯，聚酯通常具有較高的介電常數(shù)、較低的介電強(qiáng)度、較高的耐溫性和較高的介電損耗。簡(jiǎn)而言之，聚酯電介質(zhì)非常適合薄膜蓋應(yīng)用，這些應(yīng)用重視電容的數(shù)量而不是質(zhì)量，并且不需要可表面安裝的外形尺寸。某些專為耐高溫而設(shè)計(jì)的聚酯配方有助于在表面貼裝封裝中使用聚酯薄膜電容器，盡管這些器件的數(shù)量相對(duì)較少。

聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）：

聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 是一種聚合物介電材料，旨在承受更高的溫度，允許在可表面貼裝、兼容回流焊的封裝中使用薄膜電容器技術(shù)。在應(yīng)用概念中，它可以被認(rèn)為是聚乙烯 (PET) 的回流兼容版本，提供電容的數(shù)量而不是質(zhì)量。為了獲得回流焊接兼容性，PEN 放棄了一些比電容（每體積的電容），具有更高的介電吸收率，并且更容易出現(xiàn)吸濕問題，盡管低頻下的損耗因數(shù)相對(duì)于聚乙烯可能略有改善。

聚丙烯（PP）：

在常用的薄膜電容器電介質(zhì)中，聚丙烯具有最低的介電損耗、最低的介電常數(shù)和最低的最高工作溫度。它還具有這些聚合物中最高的介電強(qiáng)度之一，以及良好的溫度參數(shù)穩(wěn)定性。總體而言，對(duì)于要求電容質(zhì)量而非數(shù)量的薄膜蓋應(yīng)用而言，聚丙烯是首選電介質(zhì)。由于其耐低溫性，聚丙烯電介質(zhì)與回流焊接工藝不兼容，因此幾乎只出現(xiàn)在某種形式的通孔或底盤安裝封裝中。由于其卓越的損耗特性，聚丙烯薄膜電容器是感應(yīng)加熱和晶閘管換向等大電流、高頻應(yīng)用的首選器件。以及需要穩(wěn)定的線性電容而其他電容器類型由于某種原因不可用或不可行的應(yīng)用。

聚苯硫醚（PPS）：

對(duì)于電容質(zhì)量比數(shù)量更重要的應(yīng)用，聚苯硫醚 (PPS) 電介質(zhì)可被視為聚丙烯的回流兼容替代品。相對(duì)于聚丙烯，PPS 電容器在適用頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出較高的比電容和損耗因數(shù)，約為 2 至 3 倍，但電容在溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性略有改善。

其他電介質(zhì)

許多薄膜電容器介電材料要么隨著時(shí)間的推移而出現(xiàn)又消失，要么一直默默無聞。雖然不易獲得或不建議在新應(yīng)用中使用，但此處提及以供參考和比較。

聚碳酸酯

聚碳酸酯是一種剛性、透明的熱塑性塑料，通常用于制造安全眼鏡、頭盔面罩或其他耐沖擊光學(xué)器件的鏡片。其用作介電薄膜的生產(chǎn)于 2000 年左右停止，用于電容器應(yīng)用的剩余材料庫(kù)存已大部分被消耗。作為介電材料，它非常好，電性能類似于聚丙烯，但在大多數(shù)情況下略遜于聚丙烯，盡管具有優(yōu)越的溫度特性，允許在軍事（-55°C 至 +125°C）溫度范圍內(nèi)使用且參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定并且在高溫下經(jīng)常不會(huì)降額。聚苯硫醚 (PPS) 通常被認(rèn)為是一種可用的替代品，可能適合以前使用聚碳酸酯設(shè)備的應(yīng)用。

聚酰亞胺

聚酰亞胺是一種高溫聚合物，通常以 Kapton 商品名出售，在許多電子應(yīng)用中用作柔性電路的基材。作為電容器應(yīng)用的電介質(zhì)，它提供與聚酯/PET 相當(dāng)?shù)闹械刃阅埽M管其高溫穩(wěn)定性允許在超過 200°C 的高溫下運(yùn)行。雖然其高介電強(qiáng)度表明具有良好體積密度的設(shè)備的潛力，但將材料生產(chǎn)為非常薄的薄膜的困難往往限制了基于這種介電材料的電容器的吸引力/可用性。

聚苯乙烯

聚苯乙烯薄膜電容器目前基本上已經(jīng)滅絕，主要是因?yàn)榕c僅 85°C 的極低耐溫相關(guān)的組裝和制造困難。在適中的工作溫度下，聚苯乙烯電容器的電氣性能非常好，并且一度當(dāng)穩(wěn)定性和電氣性能特性成為驅(qū)動(dòng)選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，此類器件成為首選。大多數(shù)情況下，這些設(shè)備已被聚丙烯薄膜電容器取代。

聚砜

聚砜是一種剛性、透明的熱塑性塑料，無論在電學(xué)方面還是在成本高和相對(duì)不可用方面都與聚碳酸酯相似。

聚四氟乙烯/聚四氟乙烯

“Teflon”是杜邦公司的商標(biāo)名稱，包含多種含氟聚合物，主要是聚四氟乙烯 (PTFE)，但氟化乙烯丙烯 (FEP) 和其他材料也可以使用“Teflon”名稱。這些聚合物往往非常穩(wěn)定，并具有作為精密電介質(zhì)的許多令人欽佩的品質(zhì)，包括耐高溫性以及隨時(shí)間、溫度、電壓和頻率等的優(yōu)異穩(wěn)定性。PTFE薄膜的機(jī)械性能及其金屬化的困難使得PTFE的生產(chǎn)變得困難。基于薄膜電容器是一件困難且昂貴的事情，因此市場(chǎng)上很少有這樣的設(shè)備。

什么是[云母/聚四氟乙烯電容器]？

圖 15：各種封裝形式的云母電容器。 （不按比例）

裝置構(gòu)造

云母是一組天然存在的礦物質(zhì)，其特征是能夠容易地分裂成平坦的薄膜，其中被稱為“白云母”的特定類型云母是電容器應(yīng)用的首選。作為電介質(zhì)，云母在時(shí)間和施加電壓方面具有出色的穩(wěn)定性、低溫度系數(shù)、耐高溫、非常好的介電強(qiáng)度以及在寬頻率范圍內(nèi)的低損耗特性。除了是優(yōu)異的介電材料之外，云母（一種天然礦物）與 PTFE（一種合成含氟聚合物）幾乎沒有任何共同之處，但由于市場(chǎng)上至少有一個(gè)電容器產(chǎn)品系列使用 PTFE 代替云母來實(shí)現(xiàn)某些電容值，這兩種材料都在標(biāo)題中提到...云母電容器的結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用而變化，盡管陶瓷和薄膜類型有相似之處。無論云母是用作從一大塊原材料劈開的單片，還是用作由許多小片制成的“紙”，電極/端子附著層（通常是銀）沉積在兩側(cè)，然后單獨(dú)使用（像單層陶瓷器件）像 MLCC 一樣分層，或者像薄膜電容器一樣纏繞。在金屬化工藝發(fā)展之前生產(chǎn)的早期設(shè)備將云母片與電極箔機(jī)械夾緊在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些器件的穩(wěn)定性和可靠性不如更現(xiàn)代的類型，因此鉗位云母電容器至少?gòu)牡诙问澜绱髴?zhàn)以來就已經(jīng)過時(shí)了。或者作為由許多小薄片制成的“紙”，在兩側(cè)沉積電極/端子附著層（通常是銀），然后像 MLCC 一樣單獨(dú)使用（如單層陶瓷器件），或纏繞在一起就像薄膜電容器一樣。在金屬化工藝發(fā)展之前生產(chǎn)的早期設(shè)備將云母片與電極箔機(jī)械夾緊在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些器件的穩(wěn)定性和可靠性不如更現(xiàn)代的類型，因此鉗位云母電容器至少?gòu)牡诙问澜绱髴?zhàn)以來就已經(jīng)過時(shí)了。或者作為由許多小薄片制成的“紙”，在兩側(cè)沉積電極/端子附著層（通常是銀），然后像 MLCC 一樣單獨(dú)使用（如單層陶瓷器件），或纏繞在一起就像薄膜電容器一樣。在金屬化工藝發(fā)展之前生產(chǎn)的早期設(shè)備將云母片與電極箔機(jī)械夾緊在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些器件的穩(wěn)定性和可靠性不如更現(xiàn)代的類型，因此鉗位云母電容器至少?gòu)牡诙问澜绱髴?zhàn)以來就已經(jīng)過時(shí)了。在金屬化工藝發(fā)展之前生產(chǎn)的早期設(shè)備將云母片與電極箔機(jī)械夾緊在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些器件的穩(wěn)定性和可靠性不如更現(xiàn)代的類型，因此鉗位云母電容器至少?gòu)牡诙问澜绱髴?zhàn)以來就已經(jīng)過時(shí)了。在金屬化工藝發(fā)展之前生產(chǎn)的早期設(shè)備將云母片與電極箔機(jī)械夾緊在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些器件的穩(wěn)定性和可靠性不如更現(xiàn)代的類型，因此鉗位云母電容器至少?gòu)牡诙问澜绱髴?zhàn)以來就已經(jīng)過時(shí)了。

常見用法和應(yīng)用：

云母電容器是真空管的當(dāng)代技術(shù)，并且一直是需要穩(wěn)定、高質(zhì)量電容的首選設(shè)備。與真空管一樣，提供更好性價(jià)比的新技術(shù)已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，并將云母技術(shù)降級(jí)到利基市場(chǎng)，在這些市場(chǎng)中，核輻射、極端溫度或高壓應(yīng)力等不常見的應(yīng)力因素證明云母器件的成本是合理的。

圖 16：撰寫本文時(shí)，DigiKey 提供的云母/PTFE 電容器的電容值與額定電壓關(guān)系圖。

常見故障機(jī)制/關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素：

現(xiàn)代云母電容器由于制造過程中所用材料的穩(wěn)定性而往往非常可靠，并且對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用目的，可以與 C0G 陶瓷器件類似地進(jìn)行處理。與其他類型的電容器一樣，振動(dòng)、沖擊、熱循環(huán)等引起的機(jī)械故障都有可能發(fā)生，并且由于濕氣進(jìn)入而導(dǎo)致的電極腐蝕也是一個(gè)潛在問題。

什么是[鉭電容]？

圖 17：各種封裝配置的鉭電容器。 （不按比例）

裝置構(gòu)造及區(qū)別特征

鉭電容器是電解設(shè)備，主要用于需要具有相對(duì)穩(wěn)定參數(shù)的緊湊、耐用設(shè)備，并且適度的電容和額定電壓就足夠了。傳統(tǒng)上，鉭相對(duì)于鋁電解的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在單位體積的電容、隨溫度變化的參數(shù)穩(wěn)定性和壽命方面。鉭在長(zhǎng)期放電儲(chǔ)存時(shí)一般不會(huì)出現(xiàn)干燥問題或介電退化問題。然而，鉭通常更昂貴，可用電容和電壓值的范圍更有限，由更稀有的材料制成，更容易受到供應(yīng)中斷的影響，并且由于某些子類型容易出現(xiàn)故障，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可能需要特別小心。極大的熱情。

圖 18：撰寫本文時(shí)可通過 DigiKey 獲取鉭電容器的電容值與額定電壓圖。

圖 18 顯示了在撰寫本文時(shí) DigiKey 提供的各種鉭電容器的電壓和電流額定值組合。無論哪種類型，鉭電容器的陽極結(jié)構(gòu)都非常相似。將高純度的細(xì)粉鉭金屬模制成所需的形狀，并在高溫下燒結(jié)，將各個(gè)金屬粉末顆粒融合成高度多孔的物質(zhì)，稱為“塊”，其內(nèi)表面積相對(duì)于其體積而言極高。然后電容器的電介質(zhì)在液浴中以電化學(xué)方式形成，產(chǎn)生五氧化二鉭 (Ta 2 O 5 ）層覆蓋在金屬塊的整個(gè)內(nèi)表面區(qū)域上，這與鋁電解電容器電介質(zhì)的形成方式非常相似。從這一點(diǎn)來看，不同鉭子類型的結(jié)構(gòu)有所不同，所采用的不同陰極系統(tǒng)導(dǎo)致了不同類型的特性。

Ta/MnO 2 帽

使用三種基本的陰極系統(tǒng)，產(chǎn)生不同的鉭電容器子類型：二氧化錳 (MnO 2 )、導(dǎo)電聚合物和“濕”。對(duì)于二氧化錳系統(tǒng)，在形成電介質(zhì)后，將鉭塊浸入一系列硝酸錳 (Mn(NO 3 ) 2 ) 溶液中，并在每次浸入后進(jìn)行烘烤，將液體溶液轉(zhuǎn)化為完全滲透的固體（半）導(dǎo)電二氧化錳。鉭塊的微觀結(jié)構(gòu)，并用作器件的陰極。然后應(yīng)用一層界面材料例如石墨來保持MnO 2在將整個(gè)組件封裝在環(huán)氧樹脂中并在裝運(yùn)前進(jìn)行測(cè)試之前，避免與連接引線所需的金屬層（通常是銀）發(fā)生反應(yīng)。最終產(chǎn)品是一種固態(tài)電解電容器，具有高比電容、無干涸問題、良好的可靠性、相對(duì)良好的溫度穩(wěn)定性以及相當(dāng)嚴(yán)重的故障模式……因?yàn)殂g-MnO 2 電容器的成分和結(jié)構(gòu)相似與鞭炮（一種與加熱時(shí)釋放氧氣的物質(zhì)緊密混合的細(xì)碎金屬）相比，這些電容器以煙火式失敗而聞名，其特點(diǎn)是爆炸和/或猛烈噴出火焰。因此，建議在選擇和應(yīng)用時(shí)特別小心。

軍用/高可靠性/故障安全

對(duì)基本 Ta/MnO 2的一些實(shí)際改進(jìn)電容器技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，并且可以使用減輕或至少量化故障風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)制。指定為軍用并根據(jù) MIL 規(guī)格零件號(hào)采購(gòu)的產(chǎn)品是根據(jù)引用的 MIL 規(guī)格的規(guī)定生產(chǎn)和測(cè)試的，其中通常包括批次測(cè)試和篩選程序，以建立可靠性的統(tǒng)計(jì)保證。 MIL 規(guī)格通常還要求采用（不符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)）鉛軸承端子表面處理，這有利于系統(tǒng)的整體可靠性，因?yàn)榻档土隋a須形成的風(fēng)險(xiǎn)并降低了組裝過程中的峰值溫度。高可靠性零件通常采用 MIL 規(guī)格材料制成，具有不同的標(biāo)簽和端子表面處理，但也可能采用 MIL 規(guī)格管理機(jī)構(gòu)尚未采用的技術(shù)改進(jìn)。在任何情況下，名副其實(shí)的 Hi-Rel 產(chǎn)品將經(jīng)過篩選、測(cè)試和/或預(yù)燒，以提供可靠性的統(tǒng)計(jì)保證。故障安全設(shè)備采用某種類型的熔斷機(jī)制，以便在短路故障發(fā)展為明火故障之前將其轉(zhuǎn)換為開路故障。這些機(jī)制并不完美，但它們確實(shí)將燃燒故障的風(fēng)險(xiǎn)降低了幾個(gè)小數(shù)位。

鉭聚合物

鉭聚合物電容器完全省去了二氧化錳，而是使用導(dǎo)電聚合物作為陰極材料，這幾乎消除了煙火故障的風(fēng)險(xiǎn)。由于所使用的聚合物材料相對(duì)于MnO 2具有較低的電阻，因此鉭聚合物帽通常具有更好的ESR和紋波電流規(guī)格，以及相對(duì)于基于MnO 2的對(duì)應(yīng)物而言更好的高頻性能。聚合物陰極系統(tǒng)的缺點(diǎn)包括溫度范圍更有限、對(duì)濕度更敏感以及自愈功效降低，從而導(dǎo)致漏電流更高。

濕法鉭

顧名思義，濕鉭電容器在其陰極系統(tǒng)中使用液體電解質(zhì)。由于很難焊接到液體上，因此需要陰極反電極通過燒結(jié)鉭陽極塊來完成電路，而這種反電極的設(shè)計(jì)是不同系列濕鉭器件的區(qū)別之一。現(xiàn)代設(shè)備使用密封/焊接鉭外殼，與早期采用銀外殼材料和彈性體密封件的設(shè)備相比，這種外殼不易發(fā)生電解液泄漏，并且更能耐受意外電壓反轉(zhuǎn)。濕鉭器件的主要優(yōu)點(diǎn)是其可靠性和相對(duì)較高的比電容；液體電解質(zhì)為電介質(zhì)提供持續(xù)的自愈作用，從而實(shí)現(xiàn)低漏電流和更高的適用工作電壓范圍。然而，由于液體電解質(zhì)的電阻，大多數(shù)濕鉭的 ESR 并不是特別好，導(dǎo)致在相對(duì)較低的頻率下出現(xiàn)電容損失。濕鉭的成本也相當(dāng)高，大約是同等額定值的鋁電解設(shè)備的 100 倍。總而言之，這些因素使得濕鉭成為一種小眾技術(shù)，主要出現(xiàn)在那些不允許失敗、金錢也不是問題的應(yīng)用中；空間/衛(wèi)星應(yīng)用、生命攸關(guān)的航空電子系統(tǒng)等。大約是同等額定值的鋁電解裝置的 100 倍。總而言之，這些因素使得濕鉭成為一種小眾技術(shù)，主要出現(xiàn)在那些不允許失敗、金錢也不是問題的應(yīng)用中；空間/衛(wèi)星應(yīng)用、生命攸關(guān)的航空電子系統(tǒng)等。大約是同等額定值的鋁電解裝置的 100 倍。總而言之，這些因素使得濕鉭成為一種小眾技術(shù)，主要出現(xiàn)在那些不允許失敗、金錢也不是問題的應(yīng)用中；空間/衛(wèi)星應(yīng)用、生命攸關(guān)的航空電子系統(tǒng)等。

失效機(jī)制和設(shè)計(jì)考慮

對(duì)于一般鉭

鉭電容器介電故障的主要原因是形成陽極塊的鉭粉中的雜質(zhì)。就像高速公路工作人員在道路上涂漆時(shí)不費(fèi)心將道路上的死者移開時(shí)出現(xiàn)的間隙一樣，鉭中的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致介電層出現(xiàn)缺陷。由于鉭電容器中的電介質(zhì)厚度只有幾納米，因此即使非常小的雜質(zhì)也會(huì)引起問題。鉭電容器中的其他介電故障是機(jī)械引起的。作為一種有點(diǎn)脆的玻璃狀物質(zhì)，五氧化二鉭電介質(zhì)在施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)很容易破裂。當(dāng)零件組裝到板上時(shí)，焊接操作期間的熱膨脹應(yīng)力尤其重要。由于這些應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)時(shí)不存在（因此無法檢測(cè)到）的故障，因此組裝后首次通電時(shí)鉭電容器出現(xiàn)故障是一種已知現(xiàn)象。由于聚合物陰極材料（顯然是液體陰極）相對(duì)于二氧化錳更柔軟、更柔韌，因此這些類型比 MnO 具有優(yōu)勢(shì)2基電容器在嬰兒死亡率方面。

用于MnO 2基器件

Ta/MnO 2電容器中的自愈機(jī)制基于MnO 2材料熱分解成導(dǎo)電性低得多的Mn 2 O 3 。當(dāng)故障部位附近的漏電流導(dǎo)致局部溫度升高到足夠高時(shí)，向故障提供電流的MnO 2陰極材料區(qū)域就會(huì)擊穿，從而使故障與進(jìn)一步的電流隔離。不幸的是，這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生松散的氧：2(MnO 2 ) + (能量) --> Mn 2 O 3 + O。成功的自愈事件和煙火失敗之間的區(qū)別在于，氧氣是否在足夠高的溫度下找到鉭金屬以自燃。環(huán)境溫度和可在故障部位引起歐姆加熱的電氣故障電流量都是影響結(jié)果的因素。

MnO 2設(shè)計(jì)考慮因素

雖然建議仔細(xì)研究制造商的應(yīng)用文獻(xiàn)，但為不耐煩的人提供了以下有關(guān) Ta/MnO 2電容器應(yīng)用的指南：

1. 使用串聯(lián)電阻：限制故障可用的外部電流，大大降低故障部位達(dá)到臨界點(diǎn)火溫度的機(jī)會(huì)。歷史上，建議每施加電壓使用 1 至 3 歐姆的串聯(lián)電阻。現(xiàn)代設(shè)計(jì)可能無法承受如此大的 ESR，并且較大的設(shè)備在充電時(shí)可能包含足夠的電能，以便在突然出現(xiàn)故障時(shí)自燃。在這些情況下，降額和器件篩選尤為重要。
2. 降低電壓：為了（顯著）提高穩(wěn)態(tài)可靠性，請(qǐng)將器件從額定電壓降低一半，當(dāng)串聯(lián)電阻極低（每施加電壓 0.01 歐姆或更小時(shí)）時(shí)，降低高達(dá) 70%。如果電流受到外部限制，只需降額 20% 就足夠了。建議進(jìn)一步（復(fù)合）溫度降額系數(shù)，從 85°C 時(shí)的 0 線性增加到 125°C 時(shí)的 33%，盡管高溫產(chǎn)品系列可能有所不同。
3. 小心老化：由于組裝引起的介電故障，許多鉭故障發(fā)生在組裝設(shè)備首次通電時(shí)。通過限流源逐漸施加電壓來促進(jìn)成功的自愈可能會(huì)避免其中一些故障。隨后暴露于最大預(yù)期電氣和環(huán)境應(yīng)力將作為驗(yàn)證測(cè)試??，因?yàn)橐坏┏惺芙o定一組應(yīng)力的Ta/MnO 2電容器可能幾乎無限期地承受它們。
4. 限制瞬態(tài)電流：應(yīng)避免電流超過制造商規(guī)定的浪涌電流限制，包括由非常規(guī)事件引起的電流，例如電池或電源的熱插拔、系統(tǒng)輸出的短路故障等。在沒有浪涌電流規(guī)范的情況下，建議使用**I max
5. 遵守紋波電流/溫度限制：紋波電流額定值通常基于使器件溫度高于環(huán)境溫度時(shí)產(chǎn)生給定溫升所需的紋波量。除了產(chǎn)生的波形違反電壓或浪涌電流限制的情況外，紋波電流限制是一個(gè)熱管理問題。評(píng)估指定數(shù)據(jù)表紋波限值的測(cè)試條件，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件調(diào)整這些限值。

適用于聚合物和濕鉭

當(dāng)鉭聚合物電容器發(fā)生故障時(shí)，它們往往會(huì)變成一個(gè)溫暖的電阻器，而不是一團(tuán)快速膨脹的熱氣體和彈片云。由于這一點(diǎn)以及組裝引起的缺陷風(fēng)險(xiǎn)降低，他們的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則更加簡(jiǎn)單：將電壓降額 20%，遵守建議的紋波電流限制，并遵循制造商建議的高溫降額時(shí)間表。對(duì)于濕鉭，能夠證明部件成本合理的應(yīng)用也可能需要逐個(gè)部件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的可靠性分析，從而使經(jīng)驗(yàn)法則的價(jià)值低于其他應(yīng)用中的價(jià)值。因此，建議采用 20% 的標(biāo)準(zhǔn)降額系數(shù)，并建議用戶注意這些設(shè)備中常見的相對(duì)較低的頻率響應(yīng)特性。

什么是[氧化鈮電容器]？

圖 19：氧化鈮電容器。

裝置構(gòu)造及區(qū)別特征

氧化鈮電容器在結(jié)構(gòu)上與鉭和二氧化錳 (Ta/MnO 2 ) 器件類似，使用燒結(jié)氧化鈮 (NbO) 代替鉭金屬作為陽極材料。氧化鈮電容器主要由 AVX 生產(chǎn)，作為 Ta/MnO 2電容器的替代品，這種電容器不會(huì)在發(fā)生故障時(shí)發(fā)生爆燃，并且還具有改善原材料供應(yīng)物流的潛力，氧化鈮電容器在多種方面與鉭聚合物器件展開競(jìng)爭(zhēng)。應(yīng)用程序。氧化鈮電容器的結(jié)構(gòu)與Ta/MnO 2器件類似；陽極材料由高度多孔、海綿狀的一氧化二鈮 (NbO) 塊組成，其上有一層五氧化二鈮 (Nb 2 O 5 ) 被建立，并在其周圍建立二氧化錳對(duì)電極，其方式類似于常見的 Ta/MnO 2裝置。基于鈮金屬（而不是氧化物 NbO）和聚合物電解質(zhì)技術(shù)的電容器也已開發(fā)出來，但在撰寫本文時(shí)尚未大量生產(chǎn)。

圖 20：撰寫本文時(shí)可通過 DigiKey 獲取氧化鈮電容器的電容值與額定電壓的關(guān)系圖。

為什么是鈮？

世紀(jì)之交，由于需求旺盛，鉭供應(yīng)短缺，導(dǎo)致鉭電容器在一個(gè)季節(jié)成為稀有且昂貴的產(chǎn)品，導(dǎo)致生產(chǎn)難題，從而推動(dòng)了基于鈮的設(shè)備的開發(fā)。相對(duì)于主要用于電子工業(yè)的鉭，鈮在自然界中的儲(chǔ)量估計(jì)要高出約 20 倍，并且還廣泛用作鋼鐵生產(chǎn)中的合金元素，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子工業(yè)的需求量。目的。由于原料較多，而且電子行業(yè)不是其主要買家，因此原材料的長(zhǎng)期供應(yīng)前景被認(rèn)為比鉭更有利于鈮。

應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

氧化鈮/二氧化錳電容器比同類鉭電容器具有顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诎l(fā)生災(zāi)難性故障時(shí)通常不會(huì)點(diǎn)燃。這歸因于與鉭相比，點(diǎn)燃氧化鈮需要大量的能量，以及二次自愈效應(yīng)，其中暴露在故障部位的氧化鈮陽極材料被進(jìn)一步氧化至導(dǎo)電性較差的狀態(tài)。在這兩種效應(yīng)之間，氧化鈮電容器經(jīng)歷災(zāi)難性故障的行為被認(rèn)為是科姆范圍內(nèi)的高阻抗短路；一個(gè)足夠高的值，以防止由此產(chǎn)生的故障電流提供足夠的能量以在額定電壓下點(diǎn)燃設(shè)備。相對(duì)于Ta/MnO 2器件，NbO/MnO 2電容器目前在性能方面有點(diǎn)落后，額定電壓僅限于 10 V 或更低，漏電流大約是鉭電容器的兩倍，單位體積電容略低，并且超過 85°C 的溫度降額較高。另一方面，“不會(huì)著火”是一個(gè)非常好的特性，而且更好的原材料可用性問題提供了降低成本的希望。盡管解決煙火電容器問題的鉭聚合物方法似乎越來越受歡迎，但據(jù)說氧化鈮技術(shù)在長(zhǎng)期使用壽命和環(huán)境耐受性方面保留了優(yōu)勢(shì)，特別是在高濕度應(yīng)用中。如果沒有其他原因，這是一項(xiàng)有趣的技術(shù)，只是因?yàn)橥ㄟ^銷售和代表不同派別的營(yíng)銷人員似乎會(huì)引發(fā)截然不同的觀點(diǎn)和意見……

應(yīng)用注意事項(xiàng)

相對(duì)于鉭基電容器，氧化鈮電容器的耐燃特性使得鈮氧化物電容器的應(yīng)用更加廣泛。盡管使用 Ta/MnO 2電容器進(jìn)行設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法則是將電壓降額 50%（如果串聯(lián)電阻非常低，則降額幅度更大），但基于 NbO 的器件 (AVX) 的領(lǐng)先制造商建議將電壓降額電壓僅降低 20% 就足以安全運(yùn)行。超出這些水平的額外降額可以顯著提高兩種設(shè)備類型的長(zhǎng)期可靠性。此外，由于器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和固體MnO 2電解質(zhì)的熱機(jī)械特性仍然存在，因此建議氧化鈮電容器的用戶注意組裝過程引起故障的可能性。

什么是[硅]電容器和[薄膜電容器]？

圖 21：各種封裝格式的硅和薄膜電容器。 （不按比例）

裝置構(gòu)造及區(qū)別特征

硅和薄膜電容器是一種相對(duì)較新的設(shè)備，使用從半導(dǎo)體行業(yè)借用的工具、方法和材料生產(chǎn)。這些技術(shù)提供的對(duì)結(jié)構(gòu)和材料的精確控制允許生產(chǎn)近乎理想的電容器，這些電容器具有出色的參數(shù)穩(wěn)定性、最小的 ESR 和 ESL、寬工作溫度能力，并且與 1 類陶瓷型器件相比，單位體積的電容更好。他們最直接地競(jìng)爭(zhēng)。它們的主要缺點(diǎn)包括成本高，以及相關(guān)的可用電容值范圍相對(duì)有限。通常基于氧化硅/氮化物電介質(zhì)，“薄膜”和“硅”電容器之間的區(qū)別是營(yíng)銷上的讓步，盡管內(nèi)部存在顯著差異兩者之間取決于預(yù)期的應(yīng)用。針對(duì)射頻調(diào)諧和匹配應(yīng)用的器件往往是針對(duì)參數(shù)穩(wěn)定性和一致性進(jìn)行了優(yōu)化的低電容單層器件，并且通常采用標(biāo)準(zhǔn) JEDEC 封裝尺寸。相比之下，用于電源去耦、寬帶直流阻斷和類似應(yīng)用的器件允許更大的容差，有利于實(shí)現(xiàn)更高的比電容，并且更有可能采用適合先進(jìn)組裝方法的封裝，例如引線鍵合或嵌入在印刷電路板。然而，無論預(yù)期的應(yīng)用如何，薄膜和硅電容器系列中的器件都是高性能產(chǎn)品，并且定價(jià)相應(yīng)，在撰寫本文時(shí)，所獲得的價(jià)格約為具有相似電容和額定電壓的陶瓷器件價(jià)格的 5 至 5000 倍。設(shè)計(jì)為高精度設(shè)備的部件大多與基于 C0G (NPO) 電介質(zhì)的陶瓷電容器競(jìng)爭(zhēng)，作為射頻和微波應(yīng)用的更高性能替代品。雖然這些 I 類陶瓷器件非常好，并且經(jīng)過幾十年的改進(jìn)，本身已接近理想狀態(tài)，但特征制造差異使薄膜/硅器件在器件和制造批次之間的一致性方面稍好一些。更高電容的薄膜/硅電容器與基于 X7R 和 X8R 電介質(zhì)的 II 類陶瓷更直接地競(jìng)爭(zhēng)，用于去耦和寬帶直流阻斷應(yīng)用。為了這些目的，薄膜/硅器件具有顯著的優(yōu)勢(shì)，例如顯著降低的耗散因數(shù)以及電容隨溫度和電壓變化的穩(wěn)定性。

圖 22：撰寫本文時(shí)可通過 DigiKey 獲得的硅電容器和薄膜電容器的電容值與額定電壓關(guān)系圖。

什么是[微調(diào)電容器和可變電容器]？

圖 23：各種樣式和封裝類型的微調(diào)和可變電容器。 （不按比例）

裝置構(gòu)造及區(qū)別特征

微調(diào)電容器和可變電容器是提供在一定范圍內(nèi)可變的電容的設(shè)備，這兩個(gè)術(shù)語之間的差異主要是設(shè)計(jì)意圖之一； “微調(diào)”電容??器通常只需要在其使用壽命內(nèi)調(diào)整幾次，而“可變”電容器則需要進(jìn)行例行調(diào)整。使用了許多不同的結(jié)構(gòu)類型，但幾乎沒有例外，它們都是靜電類型，并通過改變電極之間的有效表面積、電極之間的距離或兩者來實(shí)現(xiàn)其可調(diào)節(jié)性。

圖 24：撰寫本文時(shí)可通過 DigiKey 獲得的微調(diào)器和可變電容器的電容值與額定電壓圖。

一種常見的設(shè)計(jì)方法類似于公共軸上的兩個(gè)小輪，每個(gè)輪上鍍有半圓形（或類似形狀）的電極材料。通過改變兩個(gè)“輪”相對(duì)于彼此的旋轉(zhuǎn)角度，可以改變它們之間的有效電容。除此之外，改變每個(gè)“輪”上電極的形狀可以根據(jù)給定應(yīng)用的需要在旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)角度和器件電容之間產(chǎn)生變化的關(guān)系。該方法的一種變化可能涉及使用蝸輪或類似的機(jī)械裝置來改變兩個(gè)“輪”的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，以便在設(shè)備的變化范圍內(nèi)提供更高的調(diào)節(jié)分辨率。其他設(shè)計(jì)包括可變活塞電容器，其通過改變同心圓柱體之間的重疊程度來工作，真空電容器，使用螺釘或其他機(jī)構(gòu)來改變真空中電極板之間的機(jī)械關(guān)系，通過使用柔性膜來維持真空。

常見用法和應(yīng)用

微調(diào)器和可變電容器通常用于射頻電路中的調(diào)諧和匹配應(yīng)用。通過將機(jī)械指示器掃過刻度（或反之亦然）來指示所選調(diào)諧頻率的無線電接收器通常在指示器和調(diào)諧電路中使用的可變電容器之間具有機(jī)械連接。大多數(shù)此類接收器均采用較舊的老式或較低成本/質(zhì)量的設(shè)計(jì)，盡管現(xiàn)代應(yīng)用可能仍包含用于微調(diào)或校準(zhǔn)目的的微調(diào)電容器。另一方面，可變電容器（設(shè)計(jì)用于頻繁調(diào)整的那種）是瀕臨滅絕的物種。使用更好的制造公差和更新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的替代設(shè)計(jì)技術(shù)呈現(xiàn)出笨重、飄忽、機(jī)械笨重的特征，與替代方案相比，昂貴的可變電容器是不太理想的設(shè)計(jì)元素。

常見故障機(jī)制/關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素

微調(diào)器和可變電容器中的器件結(jié)構(gòu)存在很大差異，因此無法在此對(duì)其具體優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展討論。然而，如果考慮靜電電容器背后的基本原理，通常可以通過觀察來辨別給定設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)；任何影響電介質(zhì)、電極幾何形狀或電極位置的因素都會(huì)影響器件電容。例如，空氣介電器件在給定設(shè)置下會(huì)隨著氣壓、溫度和濕度的變化而表現(xiàn)出電容的變化，因?yàn)樗羞@些因素都會(huì)在很小程度上影響空氣的介電常數(shù)。同樣，真空介電電容器也會(huì)受到泄漏或真空損失的影響。從機(jī)械角度來看，最終組件的剛性將影響電容在機(jī)械沖擊或振動(dòng)方面的穩(wěn)定性，并且調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也會(huì)影響隨時(shí)間推移的漂移趨勢(shì)。電容器快速參考指南 下一頁(yè)的表格提供了不同電容器類型及其相對(duì)優(yōu)點(diǎn)的簡(jiǎn)要總結(jié)，大致按照每種類型提供的電容數(shù)量的減少（或質(zhì)量的增加）進(jìn)行排列。大致按照每種類型提供的電容數(shù)量的減少（或質(zhì)量的增加）進(jìn)行排列。大致按照每種類型提供的電容數(shù)量的減少（或質(zhì)量的增加）進(jìn)行排列。

圖 25：電容器快速參考指南。