一、电容的基本定义
电容（Capacitor） 是由两个导体极板（正负极）和中间绝缘介质组成的储能元件 ，其基本特性为存储电荷。
- 公式 ：
C = Q / V
C：电容值（单位：法拉F），Q：存储电荷量（库仑C），V：极板间电压（伏特V）
二、电容的核心作用
| 作用 | 原理说明 | 典型应用场景 |
|---|---|---|
| 储能与缓冲 | 存储电能，平缓电压突变（如电源断电时维持短暂供电） | 开关电源输出滤波、MCU后备电源 |
| 滤波去耦 | 高频噪声旁路（利用低阻抗特性滤除干扰） | 电源去耦（0.1μF陶瓷电容靠近IC放置） |
| 耦合与隔直 | 阻隔直流信号，传递交流信号（容抗公式：Xc = 1/(2πfC)） | 音频信号耦合、放大器级间连接 |
| 谐振与调谐 | 与电感组成LC谐振回路（谐振频率 f = 1/(2π√(LC))） | 射频电路、振荡器设计 |
| 能量转换 | 充放电实现能量转移（如电荷泵电路） | DC-DC升压电路、闪光灯储能 |
| 功率因数校正 | 补偿相位差，提高系统功率因数（PF = cosθ） | 交流电机驱动、大功率电源 |
三、电容的主要分类
1. 按介质材料分类
| 类型 | 介质材料 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 陶瓷电容 | 钛酸钡、钛酸锶 | 高频特性好（ESR低），体积小，耐压较低（10V~100V） | 高频去耦、RF匹配 |
| 电解电容 | 氧化铝/钽氧化物 | 容量大（μF~F级），有极性，ESR较高，寿命受限（温度敏感） | 电源滤波、储能 |
| 薄膜电容 | 聚酯/聚丙烯 | 高耐压（kV级），低损耗，温度稳定性好 | 交流滤波、电机驱动 |
| 超级电容 | 活性炭/石墨烯 | 超大容量（法拉级），充放电速度快，电压低（2.7V~3V） | 能量回收、备用电源 |
| 云母电容 | 云母片 | 高精度（±1%），高稳定性，成本高 | 高频谐振、精密仪器 |
2. 按电路功能分类
-
滤波电容：平滑电源纹波（如100μF电解电容 + 0.1μF陶瓷电容组合）
-
去耦电容：抑制高频噪声（0.1μF陶瓷电容靠近IC电源引脚）
-
安规电容：X/Y电容（抑制EMI，耐高压冲击，用于电源输入端）
-
调谐电容：可调陶瓷/空气电容（用于射频电路频率调整）
四、电容关键参数解析
-
容量（Capacitance）
-
标称值：如10μF ±20%（电解电容误差较大）
-
容量衰减：电解电容随温度升高和老化容量下降（如85℃时寿命减半）
-
-
额定电压（Rated Voltage）
-
选型规则：工作电压 ≤ 80%额定电压（降额设计）
-
示例：12V电路需选额定电压 ≥15V的电容
-
-
等效串联电阻（ESR）
-
影响 ：ESR过高导致发热（损耗功率 P = I² × ESR）
-
优化：开关电源选用低ESR电容（如固态电容ESR < 50mΩ）
-
-
温度特性
-
温度系数：陶瓷电容的X7R（±15%）、C0G（±30ppm/℃）
-
寿命公式 （电解电容）：
L = L0 × 2^{(T0-T)/10} × (V0/V)^3
（L0：标称寿命，T：工作温度，V：工作电压）
-
五、电容使用注意事项
-
极性防反接
- 电解电容、钽电容必须严格区分正负极，反接可能导致爆炸（钽电容尤为敏感）
-
电压降额设计
-
常规电路：工作电压 ≤ 80%额定电压
-
高压场景：工控设备要求耐压 ≥2倍工作电压
-
-
温度管理
-
避免电解电容靠近热源（如功率器件、变压器），高温加速电解液干涸
-
高温场景优选固态电容或薄膜电容
-
-
高频特性匹配
-
高频电路（>1MHz）选用低ESL电容（如0402封装比0805封装电感更小）
-
去耦电容布局就近原则（电源引脚到电容走线长度 < 5mm）
-
-
纹波电流限制
-
计算实际纹波电流 I_ripple = √(ΔV² / (ESR² + (Xc)^2))
-
确保 I_ripple ≤ 电容额定纹波电流（电解电容需查规格书曲线）
-
-
失效预防
-
电解电容：避免长时间存储（超过1年需激活处理）
-
陶瓷电容：防止机械应力导致裂纹（PCB弯曲区域用软端子电容）
-
六、选型设计案例
案例：开关电源输出滤波电容选型（12V/2A输出）
-
容量计算：
-
纹波电压要求ΔV ≤ 100mV
-
C ≥ (I × Δt) / ΔV（Δt为开关周期，假设500kHz → Δt=2μs）
-
C ≥ (2A × 2μs) / 0.1V = 40μF → 选择47μF
-
-
ESR要求：
-
ESR_max ≤ ΔV / I_ripple（假设I_ripple=0.5A）
-
ESR_max ≤ 0.1V / 0.5A = 0.2Ω → 选择低ESR固态电容（如ESR=0.1Ω）
-
-
耐压选择：
- 额定电压 ≥12V × 1.5 = 18V → 选择25V耐压电容
七、总结
电容是电路设计的**"能量管家"与"噪声卫士"**，选型需综合考虑：
-
介质材料 → 决定频率特性与寿命
-
容量与ESR → 影响滤波效果与发热
-
耐压与温度 → 关乎可靠性与安全性
-
封装与布局 → 优化高频性能
设计箴言：
"高频陶瓷去噪声，电解储能保稳定；耐压降额防击穿，温度寿命要算清。"