作者：首席應用工程師 Rick Wiens

　　介紹

      為什么要在簡單的兩端組件上花費如此大的精力?電壓和電流額定值的組合當然是一個因素，但更微妙的原因是電容器并不是真的那么簡單。我們用來表示它們的示意圖符號是為了方便而省略的，和晦澀的細節，這些細節通常 a) 相當重要，b) 在學術界沒有得到很好的對待。有些類型在失敗或誤用時往往會劇烈燃燒或釋放有毒蒸氣。其他類型的材料會隨著廢棄而減弱，并且可能會在其額定極限內的壓力下失效。一些類型隨著環境和應用程序變量表現出廣泛的參數變化，而其他類型則或多或少地被遺忘。做出明智的設計選擇需要了解和考慮這些不同的品質。該資源的目的是在一個易于吞咽的膠囊中為讀者提供電容器技術指南，該膠囊具有(希望如此)不昏昏欲睡的配方。其他類型的材料會隨著廢棄而減弱，并且可能會在其額定極限內的壓力下失效。一些類型隨著環境和應用程序變量表現出廣泛的參數變化，而其他類型則或多或少地被遺忘。做出明智的設計選擇需要了解和考慮這些不同的品質。該資源的目的是在一個易于吞咽的膠囊中為讀者提供電容器技術指南，該膠囊具有(希望如此)不昏昏欲睡的配方。其他類型的材料會隨著廢棄而減弱，并且可能會在其額定極限內的壓力下失效。一些類型隨著環境和應用程序變量表現出廣泛的參數變化，而其他類型則或多或少地被遺忘。做出明智的設計選擇需要了解和考慮這些不同的品質。該資源的目的是在一個易于吞咽的膠囊中為讀者提供電容器技術指南，該膠囊具有(希望如此)不昏昏欲睡的配方。

　　什么是電容器?

　　電容器是以電場形式儲存電能的裝置。這個過程非常類似于機械彈簧以彈性材料變形的形式儲存能量的方式，在某種程度上描述兩者的數學非常相似，除了使用的變量。事實上，這種相似性可能是電氣或機械工程專業的學生經常發現其他人的研究內容晦澀難懂的部分原因;“v”對電氣工程師 (EE) 來說是“電壓”，但對機械工程師 (ME) 來說是“速度”，機械工程師對彈簧的表示可能看起來更像是 EE 等的電感器。平行板電容器的概念是通常用作解釋大多數實用電容器結構的起點。它由兩個彼此平行放置并由絕緣體隔開的導電電極組成，絕緣體通常是幾種聚合物、陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或偶爾為真空中的一種。當極板之間的間距相對于它們的面積較小時，這種電容器的值，本質上是機械頭腦的“彈簧常數”，由圖 1 中的公式近似計算。然而，應該注意的是，按照慣例，機械彈簧常數和電容值是用倒數的尺寸表示的;機械彈簧常數通常表示為每單位位移的力(例如牛頓每米或磅力每英寸)，而電容值則表示為每單位力的位移，即庫侖每伏特。陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或偶爾真空。當極板之間的間距相對于它們的面積較小時，這種電容器的值，本質上是機械頭腦的“彈簧常數”，由圖 1 中的公式近似計算。然而，應該注意的是，按照慣例，機械彈簧常數和電容值是用倒數的尺寸表示的;機械彈簧常數通常表示為每單位位移的力(例如牛頓每米或磅力每英寸)，而電容值則表示為每單位力的位移，即庫侖每伏特。陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或偶爾真空。當極板之間的間距相對于它們的面積較小時，這種電容器的值，本質上是機械頭腦的“彈簧常數”，由圖 1 中的公式近似計算。然而，應該注意的是，按照慣例，機械彈簧常數和電容值是用倒數的尺寸表示的;機械彈簧常數通常表示為每單位位移的力(例如牛頓每米或磅力每英寸)，而電容值則表示為每單位力的位移，即庫侖每伏特。當板之間的分離距離相對于它們的面積較小時，由圖 1 中的公式近似計算。然而，應該注意的是，按照慣例，機械彈簧常數和電容值是用倒數的尺寸表示的;機械彈簧常數通常表示為每單位位移的力(例如牛頓每米或磅力每英寸)，而電容值則表示為每單位力的位移，即庫侖每伏特。當板之間的分離距離相對于它們的面積較小時，由圖 1 中的公式近似計算。然而，應該注意的是，按照慣例，機械彈簧常數和電容值是用倒數的尺寸表示的;機械彈簧常數通常表示為每單位位移的力(例如牛頓每米或磅力每英寸)，而電容值則表示為每單位力的位移，即庫侖每伏特。

　　圖 1：平行板電容模型。

　　實際上，盤子不需要是平的;卷起的、折疊的、弄皺的、堆疊的、切片的、切塊的和切絲的幾何形狀也可以工作，盡管隨著幾何形狀變得更復雜，所涉及的數學可能會變得相當混亂。那么，要想制作出更大值的電容器，可以采用面積較大的極板，減小間距(即介電材料的厚度)或提高材料的介電常數。搞亂 ε0 幾乎需要創建另一個宇宙，這在政治領域之外是一件相當困難的事情。但是這個“介電常數”到底是什么東西?很好的問題;它本質上是材料的一種特性，描述了它們在施加電場的情況下通過多種機制中的任何一種而變得電極化的能力。這些機制可能處于原子水平，其中原子核周圍的電子云被置換，導致原子在一側帶有輕微的正電荷，而在另一側帶有相應的負電荷。它也可以在分子水平上發生，由于電極分子的方向響應于施加的場而發生變化，或者通過彎曲和拉伸分子內原子之間的鍵，非常像機械彈簧中的材料彎曲或拉伸。如果原子情況下的電子不會“吹走”并與相鄰的原子核重新結合，并且在分子情況下分子不會被電場力撕裂，則材料會起到絕緣體的作用;當施加電場時，它不支持持續的電荷流動，盡管由于原子周圍電子的移動或分子的重新定向/扭曲，它確實有效地允許一些電荷在電場建立時流動。移除施加的電場可以讓電介質中的電子恢復到它們所附著的原子核周圍的正常分布，或者物質中的分子可以恢復到它們原來的隨機方向或形狀。在這樣做的過程中，施加電場時流過電容器的大部分電荷返回電路，沿相反方向流動。材料的(相對)介電常數描述了材料促進這種臨時電流流動的程度，相對于真空的程度。對于給定面積、間隔距離和施加的場強，允許與真空相同數量的電荷轉移的材料的介電常數為 1。允許兩倍于真空的電荷轉移的材料的介電常數為 2，等等. 不同電容器類型的細微差別在很大程度上取決于所用電介質的特性和給定設備的構造方法。所有介電材料都有局限性，包括它們在給定材料厚度下可以承受的最大施加場、它們的介電常數、介電材料和電極中發生的損耗，以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當施加的電場恒定時。分離距離和施加的場強的介電常數為 1。允許兩倍于真空的電荷轉移的材料的介電常數為 2，等等。不同電容器類型的細微差別在很大程度上取決于特性所使用的電介質的類型以及構造給定設備的方法。所有介電材料都有局限性，包括它們在給定材料厚度下可以承受的最大施加場、它們的介電常數、介電材料和電極中發生的損耗，以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當施加的電場恒定時。分離距離和施加的場強的介電常數為 1。允許兩倍于真空的電荷轉移的材料的介電常數為 2，等等。不同電容器類型的細微差別在很大程度上取決于特性所使用的電介質的類型以及構造給定設備的方法。所有介電材料都有局限性，包括它們在給定材料厚度下可以承受的最大施加場、它們的介電常數、介電材料和電極中發生的損耗，以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當施加的電場恒定時。等。不同電容器類型的細微差別在很大程度上取決于所用電介質的特性和給定設備的構造方法。所有介電材料都有局限性，包括它們在給定材料厚度下可以承受的最大施加場、它們的介電常數、介電材料和電極中發生的損耗，以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當施加的電場恒定時。等。不同電容器類型的細微差別在很大程度上取決于所用電介質的特性和給定設備的構造方法。所有介電材料都有局限性，包括它們在給定材料厚度下可以承受的最大施加場、它們的介電常數、介電材料和電極中發生的損耗，以及流過或“泄漏”通過介電體的電流量當施加的電場恒定時。

　　電容器的非理想特性

　　對于許多用途，實際電容器可以使用相對簡單的集總元件模型來表示，該模型由一個理想電容器和幾個附加組件組成。

　　等效電阻率

　　等效串聯電阻(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電荷相關的損耗。電極和引線材料的電阻是一個促成因素，介電材料本身發生的損耗也會發生并且通常是主要因素。ESR 與電容器選擇的相關性是雙重的：1) 它影響電容器的交流響應，以及 2) 由于熱限制，它限制了允許流過電容器的交流電流量。電流流過電容器的 ESR 會導致 I2 R 損失，就像任何其他電阻器一樣，導致電容器內的溫度升高，從而導致設備壽命縮短。ESR 受器件類型和構造的影響，還不同程度地受溫度和測試頻率的影響。在許多情況下，電容器的 ESR 并未直接在數據表中給出，而是根據 Q、耗散因數 (DF) 或 Tan δ 等匯總數字進行傳達。所有都是電容器的 ESR 和容抗 (XC ) 表達方式不同。Tan δ 和耗散因數計算為 ESR/X C并且本質上是相同的數字，但應該注意耗散因數通常表示為百分比，而不是簡單的無量綱因數。Q 只是 Tan δ 或 X C /ESR的倒數。

　　圖 2：一個典型的電容器符號與包含非理想特性的原理圖形成對比，該原理圖被建模為集總元件。

　　英語

　　等效串聯電感來自器件引線的部分自感、由于器件引線在電路中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，如下所示與理想電容器串聯(C標稱) 表示設備的標稱電容值。ESL 與電容器選擇的相關性主要是它對交流響應的影響。正如集總模型所暗示的那樣，現實世界中的電容器表現得像串聯連接的 LCR 電路。隨著施加的交流電壓頻率的增加，ESL 的感抗增加到一個點，在該點它等于設備的容抗，并且電容器表現為電阻器。在高于該點的頻率下，電容器實際上是一個電感器。

　　泄漏

　　泄漏被建模為與集總模型中的理想電容器并聯的相對較大值的電阻器。這是因為電容器中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允許一定量的直流電流通過電容器。泄漏與電容器選擇的相關性取決于應用;它可能是微功率應用中的功耗問題、精密模擬應用中的誤差源或電源應用中的可靠性/熱管理問題。

　　極化

　　極化是大多數電解電容器的非理想特性，它依賴于通過電化學作用形成的電介質。向這種極性不正確的電容器施加電壓會導致用于創建電容器介電層的電化學過程發生逆轉。這種電化學破壞介電層的過程會導致高于規定的泄漏電流，隨著變薄的介電層在施加電壓的壓力下開始擊穿而加劇。由于泄漏電流會導致內部發熱，而溫度升高會導致泄漏電流增加，因此會發生級聯效應，當(錯誤)施加電壓的源阻抗較低時，會導致相當嚴重的災難性故障。

　　介電吸收

　　電介質吸收，也稱為“滲透”，是指電容器電介質中的能量存儲，其吸收和釋放的時間比器件的標稱電容和 ESR 預測的時間更長。在集總元件模型中，它可以表示為與設備的標稱電容并聯的電阻器和電容器(或其多個實例)的串聯連接。實際上，這意味著電容器在 DC 電勢下保持一段時間然后短暫放電似乎會在某種程度上自行充電。在不同的示例中，在放電曲線的快速變化部分，通過保持在直流電勢一段時間的電容器的電阻器的放電將通過通常的指數方程很好地建模。然而，在曲線的“長尾”部分，電容器將提供比通常的 RC 放電方程預測的電流更高的電流。這種現象在精密模擬電路中可能會產生問題，但在高壓、高電容設備(例如許多功率因數校正或直流總線濾波應用中使用的設備)的情況下會造成潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應用的許多類型的電容器都是最容易通過介電吸收來儲存能量的電容器，其中一些能夠“自充電”到可能是之前施加電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現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)或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。這種現象在精密模擬電路中可能會產生問題，但在高壓、高電容設備(例如許多功率因數校正或直流總線濾波應用中使用的設備)的情況下會造成潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應用的許多類型的電容器都是最容易通過介電吸收來儲存能量的電容器，其中一些能夠“自充電”到可能是之前施加電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現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)或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。這種現象在精密模擬電路中可能會產生問題，但在高壓、高電容設備(例如許多功率因數校正或直流總線濾波應用中使用的設備)的情況下會造成潛在的致命安全隱患。目前和歷史上用于此類應用的許多類型的電容器都是最容易通過介電吸收來儲存能量的電容器，其中一些能夠“自充電”到可能是之前施加電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現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)或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。高電容設備，例如許多功率因數校正或直流總線濾波應用中使用的設備。目前和歷史上用于此類應用的許多類型的電容器都是最容易通過介電吸收來儲存能量的電容器，其中一些能夠“自充電”到可能是之前施加電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現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)或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。高電容設備，例如許多功率因數校正或直流總線濾波應用中使用的設備。目前和歷史上用于此類應用的許多類型的電容器都是最容易通過介電吸收來儲存能量的電容器，其中一些能夠“自充電”到可能是之前施加電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現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)或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。有些能夠“自充電”到之前施加電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現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)或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。有些能夠“自充電”到之前施加電壓的五分之一。對于較大的設備，由于此過程而出現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)或由于對電擊的無意識反應而間接造成傷害。

　　____ 對 ____ 的依賴

　　在第一個空白處，插入任何感興趣的設備參數;電容、ESR、ESL、泄漏、壽命等。在第二個插入大多數應用參數;溫度、電壓、頻率、時間等。兩者之間存在關系，取決于設備類型和結構。有些關系不是特別牢固，通常可以忽略不計，而另一些則比 800 磅重的大猩猩更強大，更不可忽略。因此，在選擇設備時應考慮此類關系的存在和相關性。

　　老化

　　一些電容器類型表現出其特性的顯著變化，這些變化在時間尺度上發生的時間比大多數感興趣的電信號長得多，就像 Krispy Kreme? 甜甜圈離開油炸鍋后特性隨時間變化的方式。這可能會帶來設計、制造或校準方面的問題;例如，剛從回流焊爐中取出時測試正常的設備可能在一周后不符合規格。

　　麥克風/壓電效應

　　回想一下，兩個平行板之間的電容方程是電極間距/電介質厚度的強函數;如果板之間的距離發生變化(例如通過施加機械力)，電容也會發生變化。如果電容發生變化但存儲的電荷量保持不變，則電容器端子兩端的電壓變化與電容變化成反比。結果是電容器提供了機械和電氣領域之間的轉換機制，通常稱為麥克風效應，因為它與舞臺表演、便攜式電子設備等中使用的那種音頻麥克風相似/應用。這種效果對這些非常有用應用程序，但當它導致機械信號意外耦合到電路中，成為噪聲源或更糟糕的是，意外的反饋路徑時，也會出現問題。轉導機制也是雙向的;在電容器的端子上施加電壓會導致機械力施加到電極上，這些機械力又可以機械耦合到周圍環境中，例如作為可聞噪聲。盡管由于靜電力(“靜電吸附”背后的現象)而存在于所有電容器中，但它在包含壓電介電材料的設備中最為明顯。此類材料會響應機械應變而產生電荷，并且在另一個方向上，在受到電場時會發生機械變形。

　　圖 3：突出顯示電容器用作音頻/機械換能器的能力的插圖。

　　電容器的失效機制

　　電容器(像所有其他人類發明一樣)最終會失敗，無論是參數化還是災難性的。參數故障是指設備繼續運行但已緩慢降級到不再滿足性能規格的程度。另一方面，災難性故障的特點是設備特性突然發生劇烈變化，導致不合規格的行為，其中可能包括自拆卸、燃燒、白熾等。

　　介電擊穿

　　電介質擊穿失效是一種電氣條件，其中電介質材料的絕緣特性無法將泄漏電流保持在指定水平以下。通常由于施加超過設備額定限值的電壓或在指定的熱限值之外運行，介電擊穿導致的故障往往是自加重的低阻抗(短路)故障。因此，它們通常很壯觀，盡管某些類型的電容器能夠從容地承受輕微的電介質擊穿事件。由于電介質擊穿和熱故障既可以是原因也可以是結果，因此有時很難將故障事件歸類為其中之一。

　　熱的

　　熱故障是由于設備溫度過高而發生的故障。在溫度過高導致介質擊穿事件的情況下，它們通常是短路故障。熱故障也可以被認為是一種長期現象，即在高溫下長時間運行會導致設備參數變化超出允許的限度。

　　機械的

　　機械故障是指設備的物理損壞是故障的直接原因，并且可能表現為參數超出規格、短路或開路。陶瓷電容器經常遇到的機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機械設計不當而在現場發生。

　　常見的通用電容規格有哪些

　　額定電壓

　　電容器的額定電壓表示應施加到設備的最大電壓。評級的背景很重要;在某些情況下，它可能表示最大安全工作電壓，在其他情況下，它可能更類似于半導體的“絕對最大”額定值，應對其應用適當的降額系數。

　　寬容

　　電容器的公差描述了器件在指定測試條件下(尤其是交流測試電壓和頻率)下應表現出的與標稱電容值的偏差極限。引用的公差數字包括由于制造中的可變性而與標稱值的穩態偏差，并且可能(在極少數情況下)還包括在規定的工作溫度范圍內由溫度引起的電容值變化。應該注意的是，測試條件(溫度、頻率、振幅和測試電壓的直流偏置值等)通常對觀察到的器件參數有很大影響。

　　安全等級

　　設計用于故障可能對人身或財產安全造成風險的電容器(通常涉及交流線路電壓)指定字母數字安全等級，例如 X1、X2、Y1、Y2 等，根據監管標準。 “X”級設備經過認證，適用于故障預計不會造成電擊危險的應用，例如“線到線”應用，而“Y”級設備經過認證，適用于故障會造成電擊危險的應用，例如“線到地”的應用。名稱中的數字表示對浪涌電壓的耐受水平，如 IEC 60384-14 等適用監管標準中所規定。設備還可能帶有多個安全等級，表明它們在不同情況下使用的認證;例如，具有 X1Y2 安全等級的電容器可用于需要 X1 等級以及需要 Y2 等級的應用。

　　電介質/電極型

　　電容器的區別在于其結構中使用的材料，在某種程度上還在于其操作機制。“陶瓷”電容器例如使用陶瓷材料作為電介質;“鋁電解”電容器是使用鋁電極和電解質溶液等形成的。在一般電容器類型中，特別是在陶瓷電容器類型中，通常會對介電特性(以及因此的器件性能特性)進行進一步規范。需要注意的一個常見區別是電解電容器和非電解電容器類型之間的區別。電解電容器使用電化學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(通常稱為“靜電”電容器)使用的介電材料通常是通過各種機械過程形成的，而不是電極材料本身的化學衍生物。這種區別是有用的，因為這兩種設備類別本身具有共同的一般特征，允許人們簡單地通過識別它是否是電解類型來粗略預測給定設備的質量和應用適用性。一般而言，電解電容器單位體積的電容量高，有極化，成本低，損耗高，參數穩定性差。相比之下，非電解設備類型的額定值往往體積龐大，是非極性的，相對昂貴，低損耗，并且除了少數值得注意的例外，表現出一般到出色的參數穩定性。這種區別是有用的，因為這兩種設備類別本身具有共同的一般特征，允許人們通過識別它是否是電解類型來粗略預測給定設備的質量和應用適用性。一般而言，電解電容器單位體積的電容量高，有極化，成本低，損耗高，參數穩定性差。相比之下，非電解設備類型的額定值往往體積龐大，是非極性的，相對昂貴，低損耗，并且除了少數值得注意的例外，表現出一般到出色的參數穩定性。這種區別是有用的，因為這兩種設備類別本身具有共同的一般特征，允許人們通過識別它是否是電解類型來粗略預測給定設備的質量和應用適用性。一般而言，電解電容器單位體積的電容量高，有極化，成本低，損耗高，參數穩定性差。相比之下，非電解設備類型的額定值往往體積龐大，是非極性的，相對昂貴，低損耗，并且除了少數值得注意的例外，表現出一般到出色的參數穩定性。一般而言，電解電容器單位體積的電容量高，有極化，成本低，損耗高，參數穩定性差。相比之下，非電解設備類型的額定值往往體積龐大，是非極性的，相對昂貴，低損耗，并且除了少數值得注意的例外，表現出一般到出色的參數穩定性。一般而言，電解電容器單位體積的電容量高，有極化，成本低，損耗高，參數穩定性差。相比之下，非電解設備類型的額定值往往體積龐大，是非極性的，相對昂貴，低損耗，并且除了少數值得注意的例外，表現出一般到出色的參數穩定性。

　　工作溫度范圍

　　電容器的(工作)溫度范圍表示設備合格使用的溫度范圍。當單獨指定時，存儲溫度范圍是在非活動狀態下存儲不會對設備造成損壞或在正常溫度范圍內運行時導致不可逆參數變化的溫度范圍。對于未組裝的設備，可能會制定有關存儲的進一步(更嚴格的)環境規范，以確保鉛飾面材料不會降解到會妨礙正確組裝的程度。與大多數其他合格參數不同，在設備指定的溫度范圍之外(特別是在較低溫度下)操作通常是可能的，前提是已做出規定以考慮由此產生的參數變化，并且溫度偏移不會對設備造成機械損壞。由于存在與溫度相關的磨損和故障機制，在高于設備額定極限的溫度下運行更加危險，但在設備壽命不是重要問題的情況下通常是可能的。然而，這種不合規范的操作由設計人員承擔風險，并且需要在設備鑒定中給予應有的注意。

　　紋波電流額定值

　　電容器的紋波電流額定值表示應允許通過電容器的最大交流電流。由于流過電容器的電流會由于歐姆和介電損耗而導致自熱，因此給定設備可以承受的電流量是有限的，并且會受到環境條件的影響。

　　壽命

　　許多電容器，尤其是鋁電容器，具有很強的磨損機制，限制了它們的使用壽命。壽命規格是指設備在特定操作條件下的預期使用壽命。請注意，使用壽命的定義可能有所不同;一個常見的定義是在指定條件(通常接近額定最大值)下的服務時長，在該條件下，預計 50% 的現場設備會發生故障。有些規范更嚴格，有些可能更寬松。

　　軍用、高可靠性、既定可靠性

　　對于不能容忍設備故障的應用，可以使用根據定義的協議生產和測試的電容器，以提供設備可靠性的統計保證。特別敏感的應用程序通常要求通過記錄的渠道采購組件，這允許通過生產過程追溯給定組件的來源，以確保設備完整性并在發生故障時促進根本原因分析。在撰寫本文時，MIL-HDBK-217F 通知 2 是使用最廣泛的電子設備可靠性預測指南，盡管 Telcordia 制定的程序也得到廣泛使用，尤其是在電信行業。

　　封裝和安裝類型

　　與大多數電子元件一樣，電容器有多種封裝和安裝類型。器件特性和常見應用限制會影響可用選項，其中可能包括表面貼裝器件、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”電容器的一系列設備。因此，它們以相對較低的成本在小型封裝中提供高電容值。為了換取這些理想的品質，它們的電氣性能和使用壽命往往相對較差。盡管除了最野蠻的信號相關應用外，鋁電容器不適合所有應用，但鋁電容器是直流電源相關功能的主要產品。提供三種不同的類型;標準鋁電解電容器，該主題的雙極變體，以及包含導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”是對后一種不包含傳統液體電解質的設備類型的提示。

　　圖 4：不同封裝樣式的鋁電容器。LR、表面貼裝、通孔和底盤貼裝。(不按比例)

　　裝置構造

　　標準的鋁電解電容器由兩片高純度鋁箔組成，由間隔材料(例如用電解質溶液浸透的紙)交錯和分隔。這些箔片通常在微觀水平上被蝕刻，將其有效表面積增加多達數百倍，如果箔片保持光滑。在其中一個箔片(在標準鋁電解電容器中)上形成一層氧化鋁，通過含氧電解質溶液向箔片施加電壓，用作電容器的介電材料。這樣做會導致電解液中的氧氣與鋁箔表面結合，形成氧化層，其厚度與形成過程中施加的電壓成正比，并由要生產的電容器的預期工作電壓確定。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。另一個電極不是第二張箔，而是電解質溶液。在標準鋁電解電容器中，第二層箔片沒有特意形成的氧化層，只是用于與電解質進行電接觸，因為很難將液體焊接到電路板上......在雙極電容器中，氧化層形成在兩個鋁板上，從而形成一個實際上是兩個反向串聯連接的電容器的裝置。因為電解質是液體(鋁聚合物電容器除外，如果它是導電聚合物材料)，它能夠符合蝕刻和氧化箔片的微觀結構，從而在電容器的兩個電極之間形成大面積。由于介電材料(氧化鋁)非常薄，因此最終結果是具有高值的電容器;根據基本電容器方程，電容的增加與電極面積成正比，與電極分離距離/電介質厚度成反比。將導線連接到箔片上，將組件纏繞、折疊或以其他方式成型以裝入容器(通常也由鋁制成)中，然后使用橡膠密封塞密封組件。由于故障條件會導致內部壓力升高，因此大多數鋁電容器還包括以相對安全的方式排放此類壓力的措施。專用機構通常用于大型設備中的此目的，而較小的設備通過仔細設計橡膠密封塞和/或容器刻痕來實現保護性排氣功能，以便在內部壓力過大時以相對受控的方式破裂. 包括標準、雙極和聚合物類型。

　　可用電容和電壓范圍

　　圖 5：在撰寫本文時 Digi-Key 提供的鋁電容器的電壓/電容額定值范圍示意圖。

　　應用優勢和劣勢

　　鋁電容器的主要優勢在于它們能夠以較小的封裝提供較大的電容值，而且成本相對較低。此外，它們往往具有良好的自我修復特性;當氧化鋁介電層中出現局部薄弱點時，流過介電層薄弱點的漏電流增加會引起類似于介電層初始形成過程中使用的化學反應，從而導致介電層變厚薄弱點，以及隨之而來的泄漏電流的減少。鋁電容器的缺點主要與 (a) 結構中所用材料的化學反應性質，(b) 電解質溶液的導電性能，以及 (c) 液體電解質的揮發性有關。鋁電容器所用材料的化學反應性質在兩點上存在問題;介電層的穩定性和設備的長期機械完整性。由于這些器件中的氧化鋁介電層是通過電化學過程形成的，因此它也可以通過簡單地通過反轉施加的電壓而被電化學過程腐蝕。這就是為什么大多數鋁電容器都是極化的。施加錯誤極性的電壓會導致電介質快速腐蝕和變薄，從而導致高漏電流和內部過熱。從機械完整性的角度來看，將高活性金屬(鋁)與腐蝕性電解質溶液混合是一個微妙的提議;電解質成分的錯誤會導致過早失效，正如 2000 年代初的“電容器瘟疫”所證明的那樣。鋁電解電容器的另一個缺點是所使用的電解質不是特別有效的導體，因為電解質溶液中的傳導是通過離子而非電子傳導實現的。不是松散的電子在充當電荷載體的原子之間移動，而是離子(由于電子過剩或不足而帶有電荷的原子或小組)在整個溶液中移動。由于離子比電子體積大，因此它們不容易移動，因此離子傳導通常比電子傳導具有更高的電阻。這種情況的程度受溫度的顯著影響;溫度越低，電解質溶液中的離子越難在溶液中移動，這轉化為更高的電阻。因此，電解電容器往往具有相對較高的 ESR，與溫度呈強烈的反相關性。鋁電容器的第三個主要缺點(固體聚合物類型除外)是液體電解質溶液會隨著時間的推移蒸發，最終通過橡膠密封塞擴散到大氣中，安全通風結構泄漏，或類似的現象。

　　常見用途和應用

　　當交流性能和參數隨時間的穩定性不是特別重要時，鋁電容器主要用于需要相對大值、低成本電容器的直流電源應用。此類應用包括電源應用中整流交流線路電壓的批量濾波和低頻開關電源中的輸出濾波等。由于其相對較高的 ESR 與其較大的標稱電容串聯形成的時間常數，鋁電容器作為當紋波頻率接近 100 kHz 時，類別往往會很快失去吸引力。盡管設備優化差異很大，并且任何給定設備的有用頻率限制可能低至幾 kHz 到 1MHz。

　　常見故障機制/關鍵設計注意事項

　　電解質流失

　　大多數鋁電容器中的液體電解質會隨著時間的推移而蒸發，導致 ESR 增加和電容減小。這是一種磨損機制，通常是鋁電解電容器使用壽命的限制因素。時鐘在設備制造后立即啟動并且不會停止，盡管應用和存儲條件會影響指針移動的速率。溫度是決定電解質損失速率的主要因素，阿倫尼烏斯方程對此進行了很好的描述，該方程粗略預測溫度每變化 10°C，過程速率將發生兩倍的變化。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 可使其預期使用壽命大致翻倍。電解質損失也受大氣壓力的影響，較低的壓力導致電解質損失加速。極端低壓環境可能會導致并非為此類環境設計的設備發生外殼破裂或安全通風口打開，導致故障比在較高環境壓力下發生的故障要早得多。當根據 Arrhenius 關系和制造商規定的壽命規格估算電容器壽命時，必須考慮紋波電流引起的自熱;電容器的內部溫度是感興趣的量，而不僅僅是應用的環境溫度。對于高海拔或低壓操作，請咨詢制造商的規格，因為規定的使用壽命需要降額，在環境壓力下降至零，在該環境壓力下，電解質的蒸汽壓力與外部環境壓力之間的差異將導致電容器的安全通風口打開。請注意，蒸氣壓通常隨溫度升高而增加，從而導致在工作溫度和最大允許工作高度之間進行權衡。

　　電解液故障

　　不正確的電解質配方會導致鋁電容器內部組件快速腐蝕和/或氣體壓力升高，從而導致過早失效。據報道，這種機制是造成 2000 年代初期許多消費電子設備中鋁電解電容器普遍過早失效的原因。除了獨立測試和評估之外，避免此問題(已證明對許多公司而言成本極高)的最佳方法是僅從信譽良好的制造商處直接或通過制造商授權的經銷商購買產品。從有問題的來源購買廉價電子元件很像凌晨 2 點在城鎮貧民區的街角從陌生人那里購買裝在塑料袋里的藥品……不要這樣做。

　　電壓過載

　　當施加在鋁電解電容器上的電壓超過規定限值時，通過氧化鋁介電層的漏電流會迅速增加，從介電材料內的局部“薄”點開始。漏電流的增加導致設備內的局部加熱增加。如果不限制漏電流，增加的局部加熱會導致介電層進一步損壞，從而導致介電材料的級聯故障和電容器的破壞。

　　電流過載

　　鋁電解電容器通常具有相對較大的 ESR 值，這主要是由于電解質溶液的電阻率。流過該電阻的交流電流會導致歐姆加熱，從而導致電解質流失并增加電介質擊穿事件的風險。應該注意的是，鋁電解電容器的表觀電容與頻率有關。因此，應根據應用中存在的紋波頻率來解釋制造商提供的紋波電流規格。鋁電解電容器的最大紋波電流值通常在 120Hz 和 100kHz 時引用，因此在選擇設備時不僅要注意引用的紋波電流值，還要注意引用該值的測試頻率。

　　老化引起的電壓過應力

　　由于電介質形成過程的電化學性質，在零施加電壓下長時間儲存會導致氧化鋁電介質層退化。隨著電介質減弱，即使施加的電壓可能在器件的額定限值內，也會出現電壓過應力情況。在輕微的情況下，唯一的癥狀可能是漏電流增加和設備溫度升高一段時間，直到設備自我修復。在嚴重退化的電介質上通過低源阻抗施加最大額定電壓的嚴重情況下，設備可能會發生短路故障并以驚人的方式破裂。雖然已經并將繼續開發解決該問題的電解質配方，但不同產品的儲存穩定性差異很大，有些電池在放電狀態下僅儲存 1 至 3 年后就會發生可測量的退化。在設計可能長時間處于休眠狀態的應用程序時，建議對設備進行適度的電壓降額，以提高針對這種影響的安全裕度。還建議使用專門設計用于防止存儲退化的產品。在維修/重新調試的情況下，對萎縮的鋁電解電容器通常規定的處理方法是在 4-8 小時內逐漸施加系統電壓。這樣做之前，請確認設備不會因在低于規格的電源電壓下長時間運行而損壞。在設計可能長時間處于休眠狀態的應用程序時，建議對設備進行適度的電壓降額，以提高針對這種影響的安全裕度。還建議使用專門設計用于防止存儲退化的產品。在維修/重新調試的情況下，對萎縮的鋁電解電容器通常規定的處理方法是在 4-8 小時內逐漸施加系統電壓。這樣做之前，請確認設備不會因在低于規格的電源電壓下長時間運行而損壞。在設計可能長時間處于休眠狀態的應用程序時，建議對設備進行適度的電壓降額，以提高針對這種影響的安全裕度。還建議使用專門設計用于防止存儲退化的產品。在維修/重新調試的情況下，對萎縮的鋁電解電容器通常規定的處理方法是在 4-8 小時內逐漸施加系統電壓。這樣做之前，請確認設備不會因在低于規格的電源電壓下長時間運行而損壞。還建議使用專門設計用于防止存儲退化的產品。在維修/重新調試的情況下，對萎縮的鋁電解電容器通常規定的處理方法是在 4-8 小時內逐漸施加系統電壓。這樣做之前，請確認設備不會因在低于規格的電源電壓下長時間運行而損壞。還建議使用專門設計用于防止存儲退化的產品。在維修/重新調試的情況下，對萎縮的鋁電解電容器通常規定的處理方法是在 4-8 小時內逐漸施加系統電壓。這樣做之前，請確認設備不會因在低于規格的電源電壓下長時間運行而損壞。

　　設備特性、選項和目標應用

　　聲音的

　　用于音頻應用的鋁電解電容器通常是低 ESR 類型，其結構中的設計折衷可能會偏向于電氣性能和參數穩定性，但會犧牲尺寸和成本等因素。然而，應該指出的是，音頻領域充斥著主觀主義和旨在將傻瓜從他們的錢中分離出來的營銷，并且這種影響甚至滲透到組件級別。如果電容A的標簽更漂亮，價格是電容B的十倍，那么顯然電容A更好，對吧?不必要。檢查規格，了解哪些對手頭的應用很重要，然后選擇最能滿足應用要求的設備。除非你正在制造一些東西來賣給那些愿意在“定向”揚聲器電纜上花費數百或數千美元的人。在這種情況下，選擇任何能為您提供最物有所值的東西……

　　汽車

　　以汽車應用為重點的設備通常設計為具有較長的使用壽命，并且可以在擴展的溫度范圍內運行，至少擴展到 105°C。大多數都符合 AEC(汽車電子委員會)標準。

　　雙極

　　雙極電解電容器旨在通過在標準鋁電解電容器中使用的兩個鋁箔片上形成氧化膜，而不是僅在一個鋁箔片上形成氧化膜，從而在施加改變極性的電壓時無損壞地運行。由于此類設備的高 ESR，它們通常被認為不適合在連續施加交流電壓的情況下運行，因此有時被稱為“無極性直流電容器”以強調這一點。它們的使用通常僅限于直流應用，在這些應用中，要施加的極性不確定，可能偶爾會在瞬態基礎上反轉，或者流過設備的電流可以限制在不會導致過度自熱的值。

　　一般用途

　　“通用”是對未明確設計用于解決特定應用類別且在其結構中沒有主要區別特征的設備的統稱。

　　高溫回流焊

　　指定為“高溫回流”類型的設備設計并符合在制造過程中遇到較高工藝溫度的應用的要求，這在無鉛/符合 RoHS 標準的回流焊接操作中很常見。

　　電機運轉

　　具有此名稱的鋁電解電容器專為連續工作、高紋波應用而設計，例如變速電機驅動和逆變器應用。

　　電機啟動

　　具有此名稱的鋁電解電容器通常設計用于交流電機啟動應用。通常它們是雙極的，額定電壓為數百伏，并且具有幾十到幾千 uF 之間的值。

　　聚合物

　　該名稱與使用固體導電聚合物而不是液體電解質作為電解質材料的鋁電解電容器有關。通常，與同類液體電解質設備相比，它們在高溫下表現出更好的穩定性、更低的 ESR 和更長的使用壽命，盡管可用性受限于相對較低的電容和電壓額定值，并且給定電容和電壓額定值的設備成本明顯高于類似的液體電解質類型。

　　不銹鋼外殼

　　具有此名稱的設備設計有堅固的不銹鋼外殼，能夠承受電容器內外之間高于典型的壓差。這允許在比大多數其他設備更低的大氣壓力下運行，并且由于能夠減少電解質損失而允許更長的預期使用壽命。通常，這些設備也相當昂貴。

　　什么是陶瓷電容?

　　陶瓷電容器是靜電設備，其特點是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，具有涵蓋大部分數量-質量范圍的特征，可能略微偏向質量。結構和介電特性的許多變化可用于滿足不同的應用需求，這種廣泛的適用性和相對較低的成本結構使陶瓷電容器成為當前使用的最流行的電容器類型，以銷售的設備數量計算。

　　裝置構造

　　圖 6：左：多層陶瓷片式電容器 (MLCC);右圖：通孔圓盤電容器。

　　早期的設備構造為兩個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，組件封裝在絕緣材料中，通常是陶瓷或環氧樹脂。雖然這種結構類型仍然存在于用于交流線路或高壓應用的設備中，但很少有基于這種結構方法的設備適用于表面安裝，這限制了它們在許多應用中的吸引力。如今更為常見的是多層陶瓷片式電容器 (MLCC)，它們使用交替、交錯的電極和介電材料薄層，以在較小的總封裝體積內實現較大的電極表面積。這種設備是通過擠壓未燒制的陶瓷“粘土”薄片制成的，在粘土上通過類似于絲網印刷的工藝沉積細碎形式的電極材料。許多這樣的“片”被堆疊并壓在一起以形成所需數量的電極層，切割成單獨的電容器，并在高溫烘箱中燒制以硬化陶瓷介電材料并熔化電極金屬中的顆粒。然后進行端接，通過最終檢查的設備將被打包發貨。并在高溫烘箱中燒制，使陶瓷介電材料硬化并熔合電極金屬中的顆粒。然后進行端接，通過最終檢查的設備將被打包發貨。并在高溫烘箱中燒制，使陶瓷介電材料硬化并熔合電極金屬中的顆粒。然后進行端接，通過最終檢查的設備將被打包發貨。

　　圖 7：簡化的 MLCC 生產過程。(來源：維基共享資源)

　　可用電容和電壓范圍：

　　圖 8：在撰寫本文時 Digi-Key 提供的陶瓷電容器電壓/電容組合范圍示意圖。

　　應用優勢和劣勢

　　陶瓷電容器(尤其是 MLCC)因其多功能性、經濟性、耐用性和普遍良好的電氣特性而受到廣泛青睞。在它們的應用領域重疊的地方，陶瓷電容器通常相對于用于大功率處理的其他類型(鋁、鉭等)具有有利的特性，而相對于薄膜或其他使用的具有最大穩定性和精度的類型，陶瓷電容器的特性稍差必需的。陶瓷電容器的多功能性反映在可用值的范圍內，如圖 8 所示，其電容值跨越約 9 個數量級，電壓值跨越 4 個數量級;跨越如此廣度的技術并不多。在大多數情況下，陶瓷電容器結構中使用的原材料并不是特別昂貴并且得到有效利用，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雜。總之，這些屬性使 MLCC 每年可以生產數十億個，通常單位成本不到一美分。從應用程序的角度來看，它們非常適合長期存在的應用程序;它們本質上是一層耐用材料(金屬和陶瓷)，沒有很強的磨損機制，沒有對溫度、壓力或電壓反轉的嚴重脆弱性，也沒有電解設備經常遇到的泄漏、燃燒或毒性風險。由于它們不像電解裝置那樣依賴于相對高電阻的電解質溶液來運行，因此陶瓷電容器的 ESR 往往很低，并且它們的內部幾何形狀(和短引線長度，在 MLCC 的情況下)使電路板布局在許多情況下成為 ESL 的主要貢獻者。陶瓷電容器的應用弱點包括機械脆弱性、缺乏自愈能力、高電容值的成本以及參數對環境和電氣操作條件的不同程度依賴性，具體取決于陶瓷介電材料的具體配方。與大多數陶瓷物體一樣，陶瓷電容器非常脆且不靈活。因此，它們很容易因機械應力或熱沖擊而損壞，因此需要在最終產品的組裝和服務過程中小心緩解這些因素。陶瓷電容器相對惰性的“鋼石”結構的缺點是不存在自愈機制。導致電介質擊穿的應力往往會對設備造成無法恢復的損壞，因此必須建立實質性安全因素作為額外的電介質厚度，因為電介質中的薄弱點在生產過程中不容易“燒掉”。這導致陶瓷電容器的每法拉成本相對較高(與電解類型相比)，并且隨著設備尺寸的增加機械損壞的風險增加，導致值超過幾十微法的陶瓷電容器的吸引力/可用性降低。最后，許多陶瓷電介質配方在參數上不穩定或與溫度和介電應力呈線性關系，通常與其介電常數成正比。最后，

　　重要的設計考慮

　　溫度特性和介電分類

　　許多陶瓷介電材料被廣泛使用，并且在體積效率、溫度依賴性、損耗特性和其他非理想行為方面差異很大。不同的設備根據其溫度特性進行分類，EIA(電子工業協會)和 IEC(國際電工委員會)以及美國軍方和其他標準機構多年來建立了不同的分界線和識別系統。這些系統的共同點是電容質量和數量之間的區別;用于精密模擬和諧振電路應用的低損耗/高穩定性/溫度線性類型與以較差的穩定性和線性度為代價提供高單位體積電容的類型不同。IEC 標準將針對電容質量和電容數量設計的電介質分別指定為 1 類和 2 類。與 IEC 標準一樣，EIA 標準將以質量為中心的電介質指定為 I 類(羅馬數字，并不總是使用)，盡管它將 IEC 2 類設備細分為 EIA II 類和 III 類。EIA II 類設備是那些在溫度參數穩定性方面保持一定程度的設備(+/- 15% 或在規定范圍內更好，通常為 -50°C 至 85°C 或更高)，而 EIA III 類設備為了追求體積效率，電介質放棄了所有溫度穩定性的偽裝，在更窄的溫度范圍內具有更寬的參數變化;+10° 至 +85°C 范圍內的 +22%/-56% 或 -30°C 至 +85°C 范圍內的 +22%/-82% 是常見的 III 類限制。圖 9 以圖形方式說明了該現象，

　　圖 9：幾種不同介電類別的陶瓷電容器的典型電容變化與溫度的函數關系。(來源數據：AVX 表面貼裝陶瓷電容器產品目錄，v13.10)

　　每個通用電介質類別都有各種電介質配方，在 1 類電介質的情況下按電容溫度系數分類，在其他設備類別中按指定溫度范圍內電容變化的限制進行分類。圖 9A 的表格中顯示了一些分類方案的“秘密解碼器環”。采用 IEC 1 類(EIA I 類)電介質的 MLCC 設計具有受控的指定電容溫度系數;這些設備的電容是溫度的線性函數。EIA I 類設備的介電分類表明了該線的斜率和所述斜率的公差。相比之下，II 類和 III 類陶瓷的介電分類指示兩個量的外部邊界：1) 作為溫度函數的電容變化，以相對于標準溫度(通常為 25°C)下值的百分比表示，以及 2) 邊界適用的溫度范圍。這些限制內的溫度特性斜率沒有任何暗示;大多數甚至不是單調的，更不用說線性了。

　　圖 9A：表格顯示了 EIA 和美國軍方分類方案下不同指示符表示的行為限制。

　　關于 IEC 2 類(EIA II/III 類)電介質的分類，應進行兩項重要觀察：

　　它們表示電容變化僅作為溫度的函數。其他影響未包括在 ?C 數字中，這些影響可能很重要。(參見電容電壓系數部分)

　　它們不是介電配方的絕對規定，只是一種僅根據溫度行為對設備進行分組的方法。不同的部件號(特別是那些具有不同封裝尺寸的部件)在給定應用中可能表現不同，即使它們具有相同的值、公差、額定電壓和介電分類。

　　公差規格

　　陶瓷電容器的制造公差和溫度行為規范之間的區別很容易被誤解，這可能是由于數字的大小經常相似，以百分比表示的常見做法以及不完善的語言規則。準確地說，陶瓷電容器的“公差”規格表示在標準測試條件下由于制造差異而導致的器件值的允許變化。它通常指定為標稱值的百分比，指的是在標準化測試條件下具有相同部件號的不同設備之間相對于標稱值的變化。換句話說，它衡量的是從生產線上下來的零件的均勻性。相比之下，陶瓷電容器的“溫度特性”表示任何給定設備的電容在該設備規定的工作溫度范圍內隨溫度變化的程度。術語“溫度系數”最好保留給使用 I 類電介質的設備，它們或多或少具有線性溫度依賴性，而術語“溫度特性”更適合使用 EIA II 類和 III 類電介質的電容器，它們表現出明顯的非線性電容隨溫度的變化。

　　圖 10：Vishay BC Components D471K20Y5PH6UJ5R 陶瓷電容器的容差與溫度。

　　例如，部件號BC5214CT-ND是一種陶瓷圓片電容器，指定為具有 470 pF 標稱電容、+/-10% 容差和 Y5V 溫度特性。在指定的測試條件下測量，具有此 P/N 的器件應表現出 423 pF 和 517 pF 之間的電容;這是器件容差，表示圖 10 左側圖中紅線上的某個點應描述具有此部件號的器件。然而，Y5V 溫度特性表明，在 -30°C 和 +85°C 之間的溫度下測量時，器件電容相對于標準測試條件下的值可能會額外變化 +22%/-82%。換句話說，只要其電容與溫度的關系圖(使用指定的測試信號、指定的溫度歷史記錄等測量)，設備就可以滿足規格。) 垂直停留在藍框內并穿過紅線;在盒子的水平(溫度)限制之外，一切都會發生。當考慮溫度特性時，我們發現這個(標稱值)470 pF 電容器的電容可能介于 76 和 630 pF 之間(25°C 時除外)，但仍完全保持在規格范圍內。加上老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反設備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區別顯然非常重要;如果設計人員錯誤地認為該設備將顯示出標稱值的 10% 以內的值，那么如果應用程序偏離室溫太多，則可能會感到失望。比較 P/N 在盒子的水平(溫度)限制之外，一切都會發生。當考慮溫度特性時，我們發現這個(標稱值)470 pF 電容器的電容可能介于 76 和 630 pF 之間(25°C 時除外)，但仍完全保持在規格范圍內。加上老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反設備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區別顯然非常重要;如果設計人員錯誤地認為該設備將顯示出標稱值的 10% 以內的值，那么如果應用程序偏離室溫太多，則可能會感到失望。比較 P/N 在盒子的水平(溫度)限制之外，一切都會發生。當考慮溫度特性時，我們發現這個(標稱值)470 pF 電容器的電容可能介于 76 和 630 pF 之間(25°C 時除外)，但仍完全保持在規格范圍內。加上老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反設備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區別顯然非常重要;如果設計人員錯誤地認為該設備將顯示出標稱值的 10% 以內的值，那么如果應用程序偏離室溫太多，則可能會感到失望。比較 P/N 我們發現這個(標稱值)470 pF 的電容器可以表現出介于 76 和 630 pF 之間的任何電容(25°C 時除外)，但仍完全保持在規格范圍內。加上老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反設備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區別顯然非常重要;如果設計人員錯誤地認為該設備將顯示出標稱值的 10% 以內的值，那么如果應用程序偏離室溫太多，則可能會感到失望。比較 P/N 我們發現這個(標稱值)470 pF 的電容器可以表現出介于 76 和 630 pF 之間的任何電容(25°C 時除外)，但仍完全保持在規格范圍內。加上老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反設備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區別顯然非常重要;如果設計人員錯誤地認為該設備將顯示出標稱值的 10% 以內的值，那么如果應用程序偏離室溫太多，則可能會感到失望。比較 P/N 加上老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反設備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區別顯然非常重要;如果設計人員錯誤地認為該設備將顯示出標稱值的 10% 以內的值，那么如果應用程序偏離室溫太多，則可能會感到失望。比較 P/N 加上老化和電壓效應作為變量，實際觀察到的電容可以在更寬的范圍內變化，而不會違反設備的指定限制。這里“公差”和“溫度特性”的區別顯然非常重要;如果設計人員錯誤地認為該設備將顯示出標稱值的 10% 以內的值，那么如果應用程序偏離室溫太多，則可能會感到失望。比較 P/N 如果設計人員錯誤地認為該設備將顯示出標稱值的 10% 以內的值，那么如果應用程序偏離室溫太多，則可能會感到失望。比較 P/N 如果設計人員錯誤地認為該設備將顯示出標稱值的 10% 以內的值，那么如果應用程序偏離室溫太多，則可能會感到失望。比較 P/N490-3271-2-ND和490-5920-2-ND; EIA 0402 封裝中的兩個 0.1 uF、25 V 電容器。前者使用具有 Y5V 特性的 III 類電介質，容差為 -20% ~ +80%，在撰寫本文時的單價為 0.00399 美元。后者使用具有 X5R 特性的 II 類電介質，具有 +/-10% 的公差，售價為 0.00483 美元。因考慮溫度特性而產生的公差帶和窗口一起繪制在圖 10 右側的圖表中。與前面的圖表一樣，如果它們的實際電容是溫度的函數，則下線的設備符合規格留在各自的盒子內并通過垂直線@ 25°C。X5R(II 類)設備比 Y5V(III 類)設備更接近標稱值三倍以上，并且在更寬的溫度范圍內如此，而由于制造可變性和溫度的綜合影響，最大和最小設備值之間的比率對于 II 類設備要低近十倍。不到 1/10 美分就可以減少所需的設計余量、提高生產良率、減少測試要求、延長產品壽命等。這樣的好處值得每一分錢，但它們不會花費那么多。

　　電容電壓系數

　　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，用平均為 0 V 的 1 V P-P尺寸波測量器件的電容將產生不同(通常更大)的值，這與用直流偏置為 10 V 的 1 V 正弦波測試同一器件時的值不同。效應源于由于施加的電壓梯度而施加在電介質晶體結構上的應力，因此與電介質厚度/器件額定電壓成比例;在其他條件相同的情況下(這很少……)額定電壓為 100 V DC 的設備需要的直流偏置電壓是額定電壓為 25 V DC的設備的四倍為了表現出相同比例的電容變化。不出所料，該效果還受到電介質配方的影響。EIA I 類電介質表現出相對較小的電壓系數，隨著直流偏置在設備額定電壓的 0% 到 100% 之間變化，觀察到的電容通常最多變化幾個百分點(通常更少)。EIA II 類電介質受直流偏壓的影響明顯更大，電容變化大約為 20-60%。這種變化當然不容小覷，但明顯沒有 EIA III 類電介質表現出的那些變化嚴重，EIA III 類電介質通常表現出超過其額定電壓的 80-90% 或更多的電容變化。不，那不是錯字;使用 EIA III 類介電材料的陶瓷帽的有效電容可能僅由于直流偏置而改變一個數量級。這種影響也可能是不利的非線性的;當偏置到其額定直流電壓的 20% 時，某些設備的電容會減少 75%。更糟糕的是，該效應與溫度效應是累積的(雖然不是線性累加)。-100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 電容變化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 (CGB2A1X5R1C105K033BC)0603(C1608X5R1C105K080AA)0805(C2012X5R1C105K085AA)。

　　圖 11：封裝尺寸對直流偏置效應的影響。資料來源：來自 TDK Components Characteristic Viewer 在線工具的數據。

　　可能更令人驚訝(和陰險)的是直流偏置效應的大小與器件封裝尺寸之間的關系。將越來越大的電容塞進越來越小的封裝在某些時候需要做出妥協，如圖 11 所示，顯示了來自同一制造商產品系列的三個不同 1uF/16V/X5R 電容器的電容變化與直流偏置的函數關系;它們之間的主要區別只是包裝尺寸。較小包裝的成本是顯而易見的;采用 EIA0805 封裝(綠色)的器件在 5 V 偏壓下表現出幾個百分比的電容損失，而更具侵略性的 0402 封裝器件(藍色)在相同條件下損失近 70%，而采用 0603 封裝的器件(紅色) ) 介于兩者之間。認識到許多應用既涉及直流偏置又涉及維持一些最小電容(例如，低壓差穩壓器的輸出濾波器)，無知可能帶來不愉快的后果是顯而易見的。不幸的是，對這些電壓相關效應的描述實際上并不是器件數據表的一部分，因此很容易忽視或忽略它們的存在，并使比較不同產品的工作變得復雜。但是請放心，它們確實存在，并在選擇設備時牢記這一事實。很容易忽視或不知道它們的存在，并使比較不同產品的努力復雜化。但是請放心，它們確實存在，并在選擇設備時牢記這一事實。很容易忽視或不知道它們的存在，并使比較不同產品的努力復雜化。但是請放心，它們確實存在，并在選擇設備時牢記這一事實。

　　開裂

　　由于陶瓷材料的脆性和相對剛性，機械損壞是陶瓷電容器發生故障的主要原因。故障的電氣癥狀可能表現為電容減少以及短路或開路。在某些情況下，這些癥狀可能會隨著溫度等外部影響而出現和消失。有時肉眼可以看到陶瓷電容器中的裂紋，有時它們太小而看不見，或者隱藏在已安裝設備的底部或端子的邊緣。機械損壞通常是通過以下幾種機制之一造成的：

　　組裝過程中的電路板彎曲或由連接器配合力、粗暴處理等引起的。

　　操作溫度循環或裝配操作引起的熱應力。

　　組裝前或組裝過程中因處理不當而造成的直接損壞。

　　到目前為止，由于陶瓷材料、端子和 PCB 之間的緊密機械耦合，多層陶瓷芯片 (MLCC) 類型是最常見的開裂受害者。通孔或引線框安裝設備的相對較長且靈活的端子減少了由于溫度循環或電路板彎曲而施加到陶瓷電容器主體的力，從而大大減少了這些設備開裂的問題。對于工作條件惡劣的應用，可以使用設計為在端子和陶瓷設備主體之間提高機械靈活性的 MLCC，以及設計用于降低短路故障風險的設備。許多電容器開裂的來源都與裝配有關，超出了設計人員的直接控制范圍;例如，裝配商有責任避免在拾取和放置操作期間壓碎和粉碎組件，并為所用的裝配過程提供適當的預熱和冷卻時間。使用的焊膏量/焊膏模板厚度等其他因素是共同的責任，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計人員。MLCC開裂現象及其避免的詳細討論可在行業文獻中找到，為簡潔起見，這里不再重復。然而，設計師從這一來之不易的知識體系中提煉出的幾條經驗法則如下：以及為所使用的裝配工藝提供適當的預熱和冷卻時間。使用的焊膏量/焊膏模板厚度等其他因素是共同的責任，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計人員。MLCC開裂現象及其避免的詳細討論可在行業文獻中找到，為簡潔起見，這里不再重復。然而，設計師從這一來之不易的知識體系中提煉出的幾條經驗法則如下：以及為所使用的裝配工藝提供適當的預熱和冷卻時間。使用的焊膏量/焊膏模板厚度等其他因素是共同的責任，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計人員。MLCC開裂現象及其避免的詳細討論可在行業文獻中找到，為簡潔起見，這里不再重復。然而，設計師從這一來之不易的知識體系中提煉出的幾條經驗法則如下：MLCC開裂現象及其避免的詳細討論可在行業文獻中找到，為簡潔起見，這里不再重復。然而，設計師從這一來之不易的知識體系中提煉出的幾條經驗法則如下：MLCC開裂現象及其避免的詳細討論可在行業文獻中找到，為簡潔起見，這里不再重復。然而，設計師從這一來之不易的知識體系中提煉出的幾條經驗法則如下：

　　選擇經驗豐富、注重質量的裝配承包商。

　　避免熱沖擊;波峰焊和傳統烙鐵是特別危險的 MLCC 組裝和返工方法。

　　減小組件尺寸;由于電路板彎曲，較大的設備會承受更大的壓力，并且更容易受到熱沖擊的損壞。建議使用 0805(2012 公制)或更小封裝的器件。

　　組裝后分離鑲板時要格外小心，以避免板彎曲。用手沿著劃線手動斷開陣列是最不受歡迎的方法，緊隨其后的是剪刀。如果可能，請使用鋸或其他不會對 PCB 施加彎曲應力的分離方法。

　　使 MLCC 遠離電路板邊緣、連接器、安裝孔、大型/重型組件、面板片或其他可能將機械應力引入 PCB 的點。建議最小距離為 0.2 英寸或 5 毫米。

　　老化

　　陶瓷電容器會出現與電介質晶體結構變化相關的老化現象，表現為電介質材料初次燒制后電容和耗散因數發生變化。與既定模式一致，EIA I 類電介質受影響最小，被廣泛認為不會老化，而 EIA II 類電介質材料受到中度影響，而 EIA III 類材料往往受到相當嚴重的影響。這種老化過程可以通過暴露在高于電介質居里溫度的溫度下足夠長的時間以使晶體結構重新形成來重置(或設備“去老化”);溫度越高，所需時間越短。由于許多陶瓷電介質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會部分老化。設備的這種老化行為通常表示為每十小時的電容變化百分比，相對于在“最后一次加熱”時測量的電容;上一次該設備被加熱到居里溫度以上足夠長的時間以完全改變其晶體結構。換句話說，老化率 (-) 5% 的電容器在其“新鮮烤箱”狀態下測得 100 uF，在離開烤箱 1、10 和分別為 100 小時。顯然，這引起了關于設備的標稱電容應該是多少的問題，如果該數量不斷變化，即使設備以其原始包裝放在架子上未使用也是如此。行業標準 EIA-521 和 IEC-384-9 談到了這個問題，主要說明設備在最后一次加熱后 1000 小時(約 42 天)后應滿足其指定的公差值。接下來的十年時間標記(10K 和 100K 小時)分別轉化為 1 年多一點和 11 年多一點。使事情復雜化的是，老化過程以與溫度相關的速率進行;直到電介質的居里溫度，器件溫度的升高通常會加速老化過程。由于老化現象會導致設備出現超出其規定公差的情況，因此產品設計和生產測試人員必須注意這一事實;最近重新流過的組件的測試應該期望電容值有點高，并且設計應該有足夠的余量以隨著設備老化而正常運行。電源轉換電路是這種效應可能造成嚴重危險的一個很好的例子，因為陶瓷電容器通常最終會對此類電路的控制回路產生強烈影響，無論是作為補償網絡組件還是作為濾波器元件。一個在組裝過程中因電容器老化而顯得穩定的系統可能會隨著時間的推移變得不穩定，因為老化導致的電容損失會影響控制回路的動態。最重要的是，如果隨著時間的推移穩定的電容值很重要，則應避免使用顯著老化的電容器。如果西西弗斯是 21 世紀的人物，

　　壓電效應/麥克風

　　IEC 2 級(EIA II 級和 III 級)陶瓷電介質在本質上具有顯著的壓電性，導致電氣域和機械域之間的轉換機制非常重要。在壓電材料上施加電壓會導致機械變形，相反，使壓電材料發生機械變形會導致電壓出現在壓電材料上。由于電容器和 PCB 之間的緊密機械耦合，這對于表面貼裝 MLCC 尤其有問題。一方面，施加在電容器上的紋波電壓可以轉化為令人討厭的可聞噪聲;另一方面，外部機械振動可以作為信號耦合到電子電路中。基于 1 類電介質的陶瓷電容器受影響最小，因為這些電介質幾乎沒有壓電效應。

　　電極冶金

　　The electrode materials in MLCCs follow one of two general metallurgical paths, referred to as noble metal electrode (NME) or base metal electrode (BME) systems. Though not a common selection criteria for most applications, the two technologies do result in differing characteristics which bear note. Noble metal electrodes are typically based on a palladium-silver alloy, and may also be referred to as precious metal electrodes (PME), since noble metals (those that are relatively nonreactive, particularly with oxygen) also tend to be expensive. Since these electrode materials are used because of their low reactivity and not because they are expensive, it could be argued that the former term is the proper one, though reason and marketing seem to disagree on the point… Base metal electrodes are commonly nickel-based. The significant issue at hand from a production standpoint is how the electrode metals react chemically at the high temperatures required to fire the ceramic dielectric materials; the noble metal electrode systems can tolerate the presence of more oxygen at elevated temperatures, and thus can be made using air-atmosphere kilns and dielectric formulations requiring oxygen to cure properly. Base metal electrode systems don’t have the same tolerance for oxygen at high temperatures, and thus must be manufactured using different equipment and dielectric formulations. The NME approach was the original route taken, and has some advantages in terms of reliability and accumulated industry experience. Consequently, much of the high-reliability and mil-spec product available at the time of writing is produced using this process. Principle drawbacks are high cost of electrode materials and lower achievable capacitance per volume relative to BME devices, due to the typical use of thicker dielectric layers in NME devices as a consequence of characteristic material and process differences.

　　設備特性、選項和目標應用

　　汽車

　　作為“汽車”類型銷售的電容器設計用于機械要求苛刻的環境，例如汽車。通常，它們還根據某些協議進行生產和測試，例如汽車電子委員會制定的 AEC-Q200 標準，該標準規定了各種應力機制的測試方法和性能水平，例如 ESD、施加到端子的機械力、浪涌電壓等

　　受控的 ESR

　　指定為“受控 ESR”類型的電容器設計有少量有意添加的 ESR，以降低由電容及其寄生電感產生的 LC 電路的“Q”因子。這對電源軌去耦等應用很有幫助，在這些應用中，適量 ESR 的存在可以抑制帶有走線電感的電容器的“振鈴”，或有助于避免并聯電容器之間的反諧振情況。

　　環氧樹脂可安裝

　　指定為可安裝環氧樹脂的設備設計為使用導電粘合劑而不是通常的焊接工藝進行安裝。區別主要在于用于端子表面電鍍的材料，這些材料不同是為了使所使用的安裝方法具有良好的粘合性;標準焊接工藝不適用于環氧樹脂可安裝設備，反之亦然。環氧樹脂安裝有利于承受較大、頻繁的溫度波動的應用(例如汽車應用)，其中環氧樹脂接頭相對于焊點具有更高的機械靈活性，可減少由于電路板之間不同的熱膨脹系數而產生的機械應力，焊點和電容器體。環氧樹脂安裝也適用于對熱敏感的應用，例如 LCD 面板。

　　浮動電極

　　指定為“浮動電極”類型的設備實際上由多個電容器串聯組成，內部電極未連接到任何設備端子，而是保持“浮動”狀態。這種構造方法的目的主要是降低短路故障模式的風險，短路故障模式通常作為電容器開裂的次要影響而發生，盡管它在 ESD 和浪涌電壓的穩健性方面也有好處。

　　高溫

　　指定為“高溫”類型的設備(不出所料)適用于溫度高于大多數電子設備所遇到溫度的應用。通常這也意味著“寬溫度范圍”，因為具有此名稱的設備往往也被指定用于電子設備通常遇到的工作溫度范圍的下限。關于此名稱的不明顯之處在于，大多數帶有它的設備在其同類產品中都表現出相當令人印象深刻的參數穩定性，包括溫度和通常的直流偏置。

　　高壓/Arc Guard?/Arc Shield?

　　帶有“高壓”和/或專有抗電弧標志的電容器設計用于超過電子設備典型電壓的應用電壓。不同制造商對“高壓”的定義各不相同，但分界線似乎落在 100 V 至 1 kV 范圍內。在這樣的電位下，MLCC 技術開始受到端子之間或端子與通過設備外殼連接到另一個端子的電極之間的表面電弧的影響。這當然不是什么好事。雖然表面電弧在足夠高的電壓下成為任何組件的問題，但 MLCC 技術特別容易受到攻擊，因為其緊湊的結構必須將兩個設備端子及其連接的電極非常靠近，增加電介質擊穿和電弧的風險。增加設備尺寸來補償是一種選擇，但它的代價是設備破裂的風險大大增加。設備如Arc Guard?和Arc Shield?系列產品旨在減輕這些影響，并改進介電擊穿故障風險與機械開裂風險之間的權衡方程式。

　　高 Q/低損耗/低耗散因數

　　以高 Q、低損耗或低耗散因數類型銷售的設備旨在最大限度地減少 ESR。通常，這些設備由 I 類介電材料制成，用于 RF 或其他高頻應用，在這些應用中，近乎理想的電容器可用于鑒頻目的。

　　集成泄漏電阻

　　具有此名稱的設備集成了一個并聯電阻，以確保在設備斷電時電荷不會殘留或累積在電容器上。在撰寫本文時，DigiKey 僅列出了 3 個帶有此名稱的部件號，所有這些都沒有庫存并且價格不菲。為什么?好吧，這些設備數據表的營銷(第一)頁上列出的建議應用包括“引爆裝置”和“電子引信”，這與您在大多數電容器數據表上看到的完全不同。(不，應用筆記不可用……)

　　低ESL

　　低 ESL 陶瓷電容器旨在最大限度地減少串聯電感。在表面貼裝 MLCC 的情況下，大部分電感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。因此，低 ESL MLCC 大部分是標準器件的幾何和引線配置變體。多端子低 ESL 器件為每個邏輯電容器端子使用多個物理端子，并以這樣的方式交錯排列，使電流進出器件產生的磁場在很大程度上抵消，從而降低電感。逆幾何陶瓷電容器將器件端子放在電容器的長邊上，而不是像其他設備的標準做法那樣放在電容器的末端。堆疊式低 ESL 陶瓷電容器將多個 MLCC 器件連接在一個引線框架上，這使得它們可以作為一個單元進行處理和組裝，并在降低開裂和顫音效應的風險方面提供優勢。將此類設備描述為“低 ESL”在某種程度上是一種營銷策略，因為它只有在與不同電容器技術進行蘋果對橘子比較的情況下才是準確的。相對于直接安裝在 PCB 上的相同陶瓷電容器，設備安裝在引線框架上(將它們提升到電路板上方)將表現出明顯更高的 ESL。低 ESL MLCC 的 X2Y 描述符是一個商標，不應與外觀相似的安全標志符(如“X1Y2”)混淆。雖然有就使用它們的原因而言，這兩個設備組之間有一些相似之處，設備本身完全不同。低 ESL X2Y 電容器的額定電壓低至 6.3V，并且每次都允許發生短路故障，而安全等級的設備必須承受 kV 級浪涌并避免像瘟疫這樣的短路故障模式。也就是說，X2Y 低 ESR 電容器在低壓電源去耦、共模濾波和類似應用中具有顯著優點。它們的顯著特征是它們的 4 端子結構;兩個端子電氣連接，既充當“直通”連接，又充當設備內兩個獨立電容器的公共端子，每個電容器都使用其余端子之一作為其第二個電極連接。這種排列的幾何形狀允許減少去耦應用中與布局相關的電感，

　　低調

　　薄型電容器比長度和寬度相當的典型設備更薄，以便于在高度受限的應用中使用。可提供厚度測量值小至 0.006”(0.15 毫米)的設備。應該注意的是，這些設備的厚度減少使它們更容易因電路板彎曲而破裂，考慮到需要額外減少一兩毫米高度的應用，仔細的設計、組裝和處理程序變得尤為重要這些設備也可能使用更薄(因此更靈活)的電路基板。

　　軍隊

　　指定為“軍用”并根據美國軍方標準化零件編號方案采購的產品按照軍方制定的規格生產，以確保跨多個供應來源的產品一致性。傳統的“軍用規格”標準不僅闡明了生產內容，還闡明了生產方式，以確保來自不同供應商的產品的一致性和可互換性。較新的 MIL-PRF 標準是基于性能的，并規定了產品必須如何執行，同時將實現目標的精確方法主要留給制造商。后一種方法提供的靈活性為采用新技術和制造工藝提供了更大的回旋余地，但隨著時間的推移，制造商之間產品行為差異的風險有所增加。在任一情況下，由于涉及廣泛的測試和文檔要求，按照軍用規格采購的“真正”軍用產品往往相當昂貴。作為中間立場，可以使用按軍用規格生產但作為標準商業產品銷售的產品，但沒有大量文檔。

　　非磁性

　　非磁性電容器由既不會被磁鐵吸引也不會受到磁鐵不利影響的材料制成，并且不會影響放置它們的磁場。它們通常在制造后進行篩選，以確保最終產品保留這些特性。此類產品用于醫療成像和診斷設備、導航系統、實驗室設備和其他不希望設備受到磁場影響或保留會影響應用電路或其他設備運行的磁場的應用。

　　開放模式

　　作為“開放模式”設備銷售的 MLCC 旨在降低因機械開裂而可能發生的短路或低阻抗故障模式的風險。實現這一目標的常用方法是減少兩組電極之間的重疊區域，以使電路板應力裂紋的典型路徑不會穿過電極重疊的區域。這樣做會減少電容器內可用的有源面積，因此在給定封裝尺寸中可實現的最大電容值會降低。這種方法可以與浮動電極和軟終端技術相結合，以進一步降低與裂紋引起的 MLCC 故障相關的風險。雖然開式 MLCC 大大降低了短路故障的風險，應該指出的是，此類故障的概率仍然不為零。如果必須進一步降低短路故障的可能性，行業文獻中建議使用兩個相互成 90° 的串聯設備。

　　軟/靈活終端

　　在市場上銷售的具有軟終端或柔性終端的 MLCC 旨在提供金屬終端和陶瓷電容器主體之間的連接，這種連接比標準 MLCC 中的連接更符合機械要求。這通過減少由于電路板彎曲或溫度循環而施加到陶瓷材料上的應力來降低開裂的風險。

　　什么是雙電層電容器?

　　雙電層和超級電容器：

　　設備構造和區別特征：

　　雙電層電容器 (ELDC) 和超級電容器是一組類電解設備，其特點是單位體積電容極高，額定電壓低，通常不超過幾伏。這些設備的構造類型和工作原理各不相同，并且是正在進行的研發工作的主題，但它們之間的共同主題是使用具有極高單位體積表面積的電極材料(例如活性炭、氣凝膠等)和沒有傳統的固體電介質。代替其他電容器類型中的傳統陶瓷、聚合物或金屬氧化物電介質，ELDC、超級電容器和其他名稱的類似設備依賴于提供極小電荷分離距離的各種電化學、靜電和電荷轉移效應;電容器的“板”分開的距離通常以納米的分數來衡量。出于實用目的，ELDC、超級電容器和不同名稱的類似設備可被視為傳統電容器和二次(可充電)電池之間的一種中間地帶。它們的儲能密度高于傳統電容器但低于電化學電池，ESR 值按電容器標準高，但按電化學電池標準低，與化學電池的循環壽命相比，它們的循環壽命幾乎無限幾百到幾千個周期。與電化學電池一樣，可以將多個 ELDC 集成到一個封裝中，以產生具有更高標稱電壓的復合裝置。與其他電容器類型相比，高 ESR 和較差線性特性的結合使得 ELDC 和超級電容器不適合大多數信號和高頻 (>kHz) 應用，但它們對于人類尺度時間范圍內的能量存儲非常有用。在這個領域內，有一系列用于不同應用的設備。較小的設備可能具有高達幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級電流要求的存儲器和實時時鐘備份電源等應用。另一端是具有分數毫歐 ESR 的設備，旨在用于電流高達數百安培的應用，例如車輛的再生制動系統。但它們對于人類規模時間框架的能量存儲非常有用。在這個領域內，有一系列用于不同應用的設備。較小的設備可能具有高達幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級電流要求的存儲器和實時時鐘備份電源等應用。另一端是具有分數毫歐 ESR 的設備，旨在用于電流高達數百安培的應用，例如車輛的再生制動系統。但它們對于人類規模時間框架的能量存儲非常有用。在這個領域內，有一系列用于不同應用的設備。較小的設備可能具有高達幾百歐姆的 ESR 值，適用于具有 uA 級電流要求的存儲器和實時時鐘備份電源等應用。另一端是具有分數毫歐 ESR 的設備，旨在用于電流高達數百安培的應用，例如車輛的再生制動系統。適用于具有 uA 級電流要求的存儲器和實時時鐘備份電源等應用。另一端是具有分數毫歐 ESR 的設備，旨在用于電流高達數百安培的應用，例如車輛的再生制動系統。適用于具有 uA 級電流要求的存儲器和實時時鐘備份電源等應用。另一端是具有分數毫歐 ESR 的設備，旨在用于電流高達數百安培的應用，例如車輛的再生制動系統。

　　可用電容和電壓范圍：

　　圖 12 顯示了撰寫本文時 Digi-Key 庫存的 ELDC 和超級電容器的電壓和電容額定值。請注意，垂直刻度的單位是法拉，與類似圖表中的微法單位形成對比。

　　圖 12：在撰寫本文時可通過 Digi-Key 獲得的 ELDC/超級電容器及其陣列的電容值與額定電壓的關系圖。

　　常見故障機制/關鍵設計注意事項：

　　ELDC/超級電容保護傘下設備之間的技術差異排除了對整個組的故障機制和關鍵設計考慮因素的詳細討論。然而，從應用的角度來看，足以注意到適用于鋁電解電容器的問題或多或少直接轉移到 ELDC 和超級電容器上：

　　它們包含易蒸發的液體電解質溶液，阿倫尼烏斯經驗法則預測溫度每升高 10°C，設備壽命就會減半。應該注意的是，許多 ELDC/超級電容器的溫度額定值相對較低，并且自熱效應在涉及長時間充電循環的應用中可能變得很重要。此外，許多板上安裝的設備不能承受回流焊工藝，因此在組裝過程中可能需要特別小心。

　　它們不應在高于額定電壓的情況下運行。這樣做會因電解質損失和/或電介質擊穿而導致故障。這在包含有機電解質的設備的情況下尤其重要，因為在故障期間釋放的材料可能被證明是非常有毒的。

　　它們表現出顯著的介電吸收和器件特性隨溫度的變化。此外，ELDC/超級電容器中的漏電流通常非常高，特別是在由串聯電容器組成的復合設備中。通常，此類設備需要某種形式的電路來平衡施加到每個的電壓，以避免因容量或漏電流不平衡導致的任何給定電池上的過壓情況。

　　根據 Q=C*V 方程，電容器在充電狀態和輸出電壓之間呈現線性關系。這不同于電化學電池，電化學電池通常具有寬的、或多或少平坦的輸出電壓平臺作為其充電狀態的函數。在許多/大多數應用中，這意味著需要某種形式的電源管理電路才能充分利用 ELDC/超級電容器的全部容量。

　　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)

　　裝置構造

　　薄膜電容器類別中的設備本質上是靜電的，使用介電材料(例如紙或各種聚合物)制成薄片或“薄膜”并與電極材料交錯以形成電容器。術語“薄膜電容器”一般指使用這種工藝制造的任何設備，術語“薄膜”指的是所用介電材料的性質。當術語“金屬”用作“薄膜”的限定詞時，如“金屬薄膜”或“金屬化薄膜”，它更具體地指代電極建立在支撐基板上的薄膜電容器子類型在非常薄(10 納米)的層中，通常通過真空沉積工藝。經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。

　　圖 14：薄膜電容器中金屬薄膜和箔電極樣式之間區別的圖示。

　　基于金屬薄膜電極的薄膜電容器具有能夠自愈的優點;電介質中局部故障附近的電極材料足夠薄，可以被故障引起的泄漏電流蒸發，從而以損失一些電容為代價消除(或“清除”)它。由于可靠性或產量問題，這種自愈能力允許使用比其他可行的更薄的電介質，并導致單位體積的高電容。箔電極電容器的優勢在于，較厚的電極會導致較低的 ESR，從而提供更好的 RMS 和脈沖電流處理能力，但會犧牲自愈能力并降低單位體積可實現的電容。許多對基本薄膜和箔電極類型的巧妙組合和調整被普遍使用。例如，箔電極和薄膜電極通常組合在單個設備中，使用“浮動電極”配置，這(與類似指定的陶瓷電容器一樣)實際上是兩個或多個串聯連接的電容器。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現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。另一種經常使用的技術是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個相互連接的部分，互連可以充當保險絲，在自愈事件期間限制故障點可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險減少。箔電極和薄膜電極通常組合在單個設備中，使用“浮動電極”配置，其(與類似指定的陶瓷電容器一樣)實際上是兩個或多個串聯連接的電容器。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現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。另一種經常使用的技術是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個相互連接的部分，互連可以充當保險絲，在自愈事件期間限制故障點可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險減少。箔電極和薄膜電極通常組合在單個設備中，使用“浮動電極”配置，其(與類似指定的陶瓷電容器一樣)實際上是兩個或多個串聯連接的電容器。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現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。另一種經常使用的技術是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個相互連接的部分，互連可以充當保險絲，在自愈事件期間限制故障點可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險減少。其中(像類似指定的陶瓷電容器)實際上是兩個或多個串聯連接的電容器。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現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。另一種經常使用的技術是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個相互連接的部分，互連可以充當保險絲，在自愈事件期間限制故障點可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險減少。其中(像類似指定的陶瓷電容器)實際上是兩個或多個串聯連接的電容器。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現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。另一種經常使用的技術是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個相互連接的部分，互連可以充當保險絲，在自愈事件期間限制故障點可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險減少。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現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。另一種經常使用的技術是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個相互連接的部分，互連可以充當保險絲，在自愈事件期間限制故障點可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險減少。通過將“外”電極制成箔型，將“浮動”電極制成薄膜型，可以實現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。另一種經常使用的技術是使用圖案化的薄膜電極。通過將電極分成多個相互連接的部分，互連可以充當保險絲，在自愈事件期間限制故障點可用的電流量，從而降低級聯或短路故障的風險減少。

　　常見用法和應用：

　　某種形式的薄膜電容器是涉及施加到設備的電壓反轉的電源應用中的主要電容器技術。金屬化薄膜類型非常適合安全等級應用，因為它們具有自我修復特性和在許多故障條件下無法打開的能力。金屬箔類型通常用于需要更高紋波電流幅度的應用，例如啟動/運行交流電機或為大功率配電提供容抗。此外，薄膜電容器通常用于需要相對較高的電容值以及線性度和溫度穩定性的低壓信號應用，例如模擬音頻處理設備。在直流母線濾波等應用中，器件的極性沒有反轉，薄膜電容器可以替代鋁電解類型(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類型進行比較時，薄膜電容器往往更大，成本大約高出 10 倍，但 ESR 值卻低大約 100 倍。薄膜電容器缺乏液體電解質消除了鋁電解設備在低溫下變干和 ESR 增加的問題，并且它們不會像鋁電解設備那樣在長時間不使用時遭受介電退化。此外，薄膜電容器較低的 ESR 特性可能允許使用比某些應用中電解裝置所需的電容值更小的電容值，

　　常見故障機制/關鍵設計注意事項：

　　雖然薄膜電容器通常非常耐用，但它們容易受到一些長期磨損機制的影響。隨著時間的推移，所使用的介電材料會變弱、變脆，并且其耐壓能力會下降，最終導致介電擊穿故障。溫度和電壓應力會加速該過程，降低其中任何一個都可以延長使用壽命。根據電介質擊穿事件的嚴重程度，所顯示的故障模式范圍從相對溫和到非常壯觀。由薄膜電容器的自愈特性阻止的輕微擊穿事件將表現為電容的逐漸減少。隨著時間的推移發生更多此類事件，累積效應會導致電容降低和 ESR 增加，直到設備的性能不再符合規范并且被認為參數失敗為止。在更極端的情況下，如果參數故障設備未停止使用，可能會在參數故障之后發生，當自我修復過程中釋放的熱能促使附近發生額外的電介質擊穿時，可能會發生級聯故障。由于自愈事件會將部分電容器從電路中移除，因此隨著自愈的進行，應用應力會重新分布在器件不斷縮小的部分，導致器件有效保持部分的應力增加在電路中。然后電容器的下一個最薄弱的部分失效，將其負擔轉移到剩下的部分，引發更多的擊穿事件，更多的應力集中，更多故障事件等以指數方式發生。如果這個過程發生得足夠快，自我修復過程中產生的氣態副產品會產生足夠的壓力，使設備的外殼猛烈破裂。較大的設備通常包括一個通風機構，以在發生這種情況時限制/防止飛濺碎片造成的附帶損害，并且還可能包括一個熔斷機構，以在發生內部過壓情況時將設備從電路中移除。請注意，如果參數化失敗的設備繼續運行，由于反復自我修復而導致的參數化失敗可能只是通向更具災難性、爆炸性失敗的路徑上的一個路標點。薄膜電容器中發現的另一種過應力故障模式發生在超過峰值電流限制時，由于在電容器的“極板”連接到外部引線的區域發生類似保險絲的動作。這在金屬化薄膜類型中尤為常見，因為它們的電極厚度非常小，因此與外界的連接非常脆弱。許多薄膜型電容器會指定施加在電容器兩端的最大電壓變化率 (dV/dt)。這相當于指定通過器件的峰值電流，因為 I(t)=C*dV/dt，盡管電壓通常比電流更便于測量。環境條件對薄膜電容器的壽命也有影響。與其他設備一樣，升高的溫度會大大縮短設備的使用壽命。膠片設備更獨特的是易受潮;長時間暴露在高濕度環境中或組裝后清洗循環會導致水分通過設備引線周圍的環氧樹脂-金屬密封缺陷或通過設備的聚合物外殼擴散進入設備。水分進入在幾個方面都很糟糕;它既會降解介電材料，又會促進電極材料的腐蝕。特別是在電極最初只有幾十納米厚的金屬膜型設備中，極少的腐蝕就會引起問題。此外，高振動環境也會引起設備引線的機械故障、引線與電極之間的連接或加劇濕氣進入問題，從而帶來麻煩。薄膜電容器可靠性和壽命的主要因素是施加電壓，其次是溫度。供應商的使用壽命模型各不相同，但通常基于將額定電壓與外加電壓之比取一個大指數(通常在 5 到 10 之間)，而溫度的影響遵循阿倫尼烏斯關系，即每 10 倍變化 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 會使使用壽命估計值增加近兩位小數。

　　電介質類型、特性和目標應用：

　　丙烯酸纖維：

　　丙烯酸酯材料作為薄膜電容器的介電材料是相對較新的。目前可用的設備通常作為陶瓷電介質的回流兼容薄膜替代品銷售，避免壓電效應和直流偏壓引起的電容損失，或作為較低 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，因為它在現代聚合物開發之前成本低且可用性高。通常用蠟、各種油或環氧樹脂浸漬以填充空隙并抑制吸濕，其低介電強度和高吸濕性導致紙張作為介電材料在很大程度上不再受歡迎，盡管它在以下應用中的應用仍然有限對成本極其敏感，或者對遺留規范的更改極難實現。由于與聚合物材料相比，金屬膜可以相對容易地應用于紙，紙有時不用作介電材料本身，而是用作金屬化電極材料的機械載體，

　　聚酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)：

　　聚酯，也稱為聚對苯二甲酸乙二醇酯或 PET，與聚丙烯一起是薄膜電容器中最常用的介電材料之一。相對于聚丙烯，聚酯一般具有較高的介電常數、較低的介電強度、較高的耐溫性和較高的介電損耗。簡而言之，聚酯電介質適用于重視電容數量而非質量且不需要表面貼裝外形的薄膜電容應用。某些專為耐高溫而設計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，盡管這些器件的數量相對較少。

　　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，設計用于承受更高的溫度，允許在表面貼裝、回流兼容封裝中使用薄膜電容器技術。在應用概念中，它可以被認為是聚乙烯 (PET) 的回流兼容版本，提供的電容數量超過質量。為了獲得回流焊接兼容性，PEN 放棄了一些比電容(單位體積的電容)，具有更高的介電吸收，并且更容易出現吸濕問題，盡管相對于聚乙烯在低頻下的耗散因數可能略有改善。

　　聚丙烯(PP)：

　　在常用的薄膜電容器電介質中，聚丙烯具有最低的介電損耗、最低的介電常數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度之一，以及良好的溫度參數穩定性。總的來說，聚丙烯是要求電容質量而非數量的薄膜帽應用的首選電介質。由于其耐低溫性，聚丙烯電介質與回流焊接工藝不兼容，因此幾乎只能在通孔或某種形式的底盤安裝封裝中找到。由于其卓越的損耗特性，聚丙烯薄膜電容器是感應加熱和晶閘管換向等大電流、高頻應用的首選器件，

　　聚苯硫醚 (PPS)：

　　對于電容質量比數量更重要的應用，聚苯硫醚 (PPS) 電介質可被視為聚丙烯的回流兼容替代品。相對于聚丙烯，PPS 電容器在適用頻率范圍內表現出更高的比電容和耗散因數，大約為 2 到 3 倍，但電容在溫度范圍內的穩定性略有改善。

　　其他電介質

　　許多薄膜電容器介電材料要么隨著時間的推移來去匆匆，要么一直默默無聞。雖然不容易獲得或不建議在新應用中使用，但在此提及以供參考和比較。

　　聚碳酸酯

　　聚碳酸酯是一種堅硬、透明的熱塑性塑料，通常用于制造安全眼鏡、頭盔面罩或其他抗沖擊光學器件的鏡片。它用作介電薄膜的制造在 2000 年左右停止，用于電容器應用的剩余材料庫存已大量消耗。作為一種介電材料，它非常好，雖然在大多數情況下具有與聚丙烯相似但略遜于聚丙烯的電性能，但具有優異的溫度特性，允許在軍用(-55°C 至 +125°C)溫度范圍內使用且參數相對穩定并且在高溫下經常不會降額。聚苯硫醚 (PPS) 通常被認為是一種可用的替代品，它可能適用于以前使用基于聚碳酸酯的設備的應用。

　　聚酰亞胺

　　聚酰亞胺是一種高溫聚合物，通常以商品名 Kapton 出售，在許多電子應用中用作柔性電路的基板。作為電容器應用的電介質，它提供可與聚酯/PET 相媲美的中等性能，但其高溫穩定性使其能夠在超過 200°C 的高溫下運行。雖然其高介電強度表明具有良好體積密度的設備的潛力，但將材料生產為非常薄的薄膜的困難往往會限制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在這一點上基本上已經滅絕，主要是因為裝配和制造困難以及僅 85°C 的極低溫度耐受性。在適中的工作溫度下，聚苯乙烯電容器的電氣性能非常好，并且在一段時間內，當穩定性和電氣性能特征成為驅動選擇標準時，此類設備是首選。在大多數情況下，這些設備已被聚丙烯薄膜電容器所取代。

　　聚砜

　　聚砜是一種剛性、透明的熱塑性塑料，與聚碳酸酯在電氣和成本高且相對不可用方面都相似。

　　鐵氟龍/聚四氟乙烯

　　“Teflon”是杜邦公司的一個商品名，它包含許多含氟聚合物，主要是聚四氟乙烯 (PTFE)，但氟化乙烯丙烯 (FEP) 和其他材料也可以用“Teflon”這個名稱找到。這些聚合物往往非常穩定，并具有作為精密電介質的許多令人欽佩的品質，包括耐高溫和隨時間、溫度、電壓和頻率變化的出色穩定性等。PTFE 薄膜的機械性能及其金屬化困難使得生產 PTFE基于薄膜電容器是一件困難且昂貴的事情，因此市場上很少有這樣的設備。

　　什么是云母/聚四氟乙烯電容器?

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　　圖 15：各種封裝形式的云母電容器。(不按比例)

　　裝置構造

　　云母是一組天然存在的礦物，其特點是能夠輕松分裂成平坦的薄膜，被稱為“白云母”的特定類型的云母是電容器應用的首選。作為電介質，云母具有出色的隨時間和施加電壓的穩定性、低溫度系數、高耐溫性、非常好的介電強度以及在寬頻率范圍內的低損耗特性。除了是出色的介電材料外，云母(一種天然存在的礦物)與 PTFE(一種合成含氟聚合物)幾乎沒有任何共同之處，但由于市場上至少有一個電容器產品系列使用 PTFE 代替云母來獲得某些電容值，標題中提到了這兩種材料……云母電容器的結構因應用而異，盡管可以在陶瓷和薄膜類型中找到相似之處。無論云母是從一大塊原料上切下的單片，還是由許多小片制成的“紙”，電極/端子附著層(通常是銀)沉積在兩側，然后單獨使用(像單層陶瓷器件)像 MLCC 一樣層疊在一起，或者像薄膜電容器一樣纏繞。在金屬化工藝發展之前生產的早期設備將云母片與電極箔機械夾在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些設備的穩定性和可靠性不如更現代的類型，因此鉗位云母電容器至少自第二次世界大戰以來就已經過時了。或者作為由許多小薄片制成的“紙”，電極/端子附著層(通常是銀)沉積在兩側，然后單獨使用(如單層陶瓷器件)像 MLCC 一樣分層，或纏繞比如薄膜電容。在金屬化工藝發展之前生產的早期設備將云母片與電極箔機械夾在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些設備的穩定性和可靠性不如更現代的類型，因此鉗位云母電容器至少自第二次世界大戰以來就已經過時了。或者作為由許多小薄片制成的“紙”，電極/端子附著層(通常是銀)沉積在兩側，然后單獨使用(如單層陶瓷器件)像 MLCC 一樣分層，或纏繞比如薄膜電容。在金屬化工藝發展之前生產的早期設備將云母片與電極箔機械夾在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些設備的穩定性和可靠性不如更現代的類型，因此鉗位云母電容器至少自第二次世界大戰以來就已經過時了。在金屬化工藝發展之前生產的早期設備將云母片與電極箔機械夾在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些設備的穩定性和可靠性不如更現代的類型，因此鉗位云母電容器至少自第二次世界大戰以來就已經過時了。在金屬化工藝發展之前生產的早期設備將云母片與電極箔機械夾在一起。與其他鉗位電容器一樣，這些設備的穩定性和可靠性不如更現代的類型，因此鉗位云母電容器至少自第二次世界大戰以來就已經過時了。

　　常見用法和應用：

　　云母電容器是真空管的現代技術，在歷史上一直是需要穩定、高質量電容的首選設備。與真空管一樣，提供更好性價比的新技術已經占據主導地位，并將云母技術降級到利基市場，在這些市場中，不常見的應力因素(例如核輻射、極端溫度或高壓應力)證明云母設備的成本合理。

　　圖 16：在撰寫本文時 Digi-Key 提供的云母/PTFE 電容器的電容值與額定電壓關系圖。

　　常見故障機制/關鍵設計注意事項：

　　現代云母電容器由于其制造中使用的材料的穩定性而往往非常可靠，并且對于大多數應用目的，可以類似于 C0G 陶瓷設備進行處理。與其他類型的電容器一樣，由于振動、沖擊、熱循環等引起的機械故障都是可能的，并且由于水分進入造成的電極腐蝕也是一個潛在問題。

　　什么是鉭電容?

　　圖 17：采用各種封裝配置的鉭電容器。(不按比例)

　　設備構造和顯著特征

　　鉭電容器是主要用于需要具有相對穩定參數的緊湊、耐用設備的電解設備，適度的電容和電壓額定值就足夠了。傳統上，鉭在單位體積電容、溫度參數穩定性和壽命方面優于鋁電解。鉭在長時間放電后一般不會出現干涸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，由更容易受到供應中斷影響的稀有材料制成，并且可能需要在設計中特別小心，因為某些子類型傾向于失效極大的熱情。

　　圖 18：在撰寫本文時 Digi-Key 提供的鉭電容器的電容值與額定電壓關系圖。

　　圖 18 顯示了在撰寫本文時 Digi-Key 提供的各種鉭電容器的電壓和電流額定值組合。無論子類型如何，鉭電容器的陽極結構都非常相似;將高純度的精細粉末狀金屬鉭模塑成所需的形狀，并在高溫下燒結，將單個金屬粉末顆粒熔合成高度多孔的物質，稱為“塊”，其體積具有極高的內表面積。然后，電容器的電介質在液浴中以電化學方式形成，產生五氧化二鉭 (Ta 2 O 5) 層覆蓋在金屬塊的整個內表面區域，與鋁電解電容器的電介質形成方式非常相似。從這一點來看，不同鉭亞型的結構有所不同，所采用的不同陰極系統產生了不同類型的特性。

　　Ta/MnO 2 帽

　　目前使用的三種基本陰極系統產生了不同的鉭電容器子類型;二氧化錳 (MnO 2 )、導電聚合物和“濕”。對于二氧化錳系統，在形成電介質后，將鉭塊浸入一系列硝酸錳 (Mn(NO 3 ) 2 ) 溶液中，并在每次浸入后進行烘烤，將液體溶液轉化為固體(半)導電二氧化錳，從而徹底滲透鉭塊的微觀結構并用作設備的陰極。然后施加一層界面材料如石墨以保持MnO 2在整個組件用環氧樹脂包裝并在裝運前進行測試之前，與金屬層(通常是銀)發生反應，以便連接導線。最終產品是固態電解電容器，具有高比電容、無干涸問題、良好的可靠性、相對較好的溫度穩定性以及相當嚴重的故障模式……因為鉭-MnO 2 電容器的成分和結構相似對于鞭炮(一種細碎的金屬與加熱時釋放氧氣的物質密切混合)，這些電容器以煙火方式失效而聞名，其特征是爆炸和/或猛烈噴出的火焰。因此，建議在選擇和應用時特別小心。

　　軍事/高可靠性/故障安全

　　基本 Ta/MnO 2的一些實際改進電容器技術已經出現，并且可以使用減輕或至少量化故障風險的機制。指定為軍用產品并根據 MIL 規范部件號采購的產品是根據引用的 MIL 規范的規定生產和測試的，通常包括批次測試和篩選程序，以建立可靠性的統計保證。MIL 規范通常還要求(不符合 RoHS 標準)鉛軸承端子表面處理，這有利于系統的整體可靠性，因為它降低了錫須形成的風險并降低了組裝過程中的峰值溫度。高可靠性部件通常采用具有不同標簽和端子表面處理的 MIL 規格材料制造，但也可能包含 MIL 規格管理機構尚未采用的技術改進。在任何情況下，名副其實的 Hi-Rel 產品將經過篩選、測試和/或老化，以提供可靠性的統計保證。故障安全設備包含某種類型的熔斷機制，以便在短路故障發展為明火故障之前將其轉換為開路故障。這些機制并不完美，但它們確實將燃燒失敗的風險降低了幾個小數位。

　　鉭聚合物

　　鉭聚合物電容器完全省去了二氧化錳，而是使用導電聚合物作為陰極材料，這幾乎消除了煙火故障的風險。由于所用聚合物材料的電阻相對于 MnO 2較低，因此鉭聚合物電容器通常具有更好的 ESR 和紋波電流規格，并且相對于基于 MnO 2的對應物在高頻下具有更好的性能。聚合物陰極系統的缺點包括更有限的溫度范圍、對水分更敏感，以及導致更高漏電流的自我修復效率降低。

　　濕鉭

　　顧名思義，濕鉭電容器在其陰極系統中使用液體電解質。由于很難焊接到液體上，因此需要一個陰極對電極來完成通過燒結鉭陽極塊的電路，而這個對電極的設計是濕鉭器件不同系列之間的區別之一。現代設備使用密封/焊接的鉭外殼，與早期采用銀外殼材料和彈性密封件的設備相比，這種外殼不易發生電解液泄漏，并且更能容忍偶然的電壓反轉。濕鉭器件的主要優點是它們的可靠性和相對較高的比電容;液體電解質為電介質提供持續的自愈作用，導致低漏電流和更高范圍的適用工作電壓。然而，由于液體電解質的電阻，大多數濕鉭的 ESR 不是特別好，導致在相對低頻時電容損失。濕鉭也相當昂貴，大約是同等額定值的鋁電解裝置的 100 倍。總而言之，這些因素使濕鉭成為一種利基技術，主要用于失敗不是一種選擇、金錢不是目標的應用;空間/衛星應用、生命攸關的航空電子系統等。大約是具有可比額定值的鋁電解裝置的 100 倍。總而言之，這些因素使濕鉭成為一種利基技術，主要用于失敗不是一種選擇、金錢不是目標的應用;空間/衛星應用、生命攸關的航空電子系統等。大約是具有可比額定值的鋁電解裝置的 100 倍。總而言之，這些因素使濕鉭成為一種利基技術，主要用于失敗不是一種選擇、金錢不是目標的應用;空間/衛星應用、生命攸關的航空電子系統等。

　　失效機制和設計注意事項

　　對于一般的鉭

　　鉭電容器中介電故障的主要原因是形成陽極塊的鉭粉中存在雜質。就像高速公路工作人員在道路上畫線時不費心將路障移開時出現的間隙一樣，鉭中的雜質會導致介電層出現缺陷。由于鉭電容器中的電介質最初只有幾納米厚，因此即使非常小的雜質也會引起問題。鉭電容器中的其他介電故障是由機械引起的。作為一種有點脆的玻璃狀物質，五氧化二鉭電介質在施加機械應力時容易破裂。當零件組裝到電路板上時，焊接操作期間的熱膨脹應力尤為重要。由于這些應力會導致在生產時不存在(因此無法檢測到)的故障，因此鉭電容器在組裝后首次通電時出現故障是一種眾所周知的現象。由于聚合物陰極材料(顯然，液體陰極)相對于二氧化錳更柔軟、更柔韌，因此這些類型比 MnO 具有優勢2基電容器嬰兒死亡率方面。

　　對于基于 MnO 2的設備

　　Ta/MnO 2電容器的自愈機制基于 MnO 2材料熱分解為導電性低得多的 Mn 2 O 3。當故障點附近的泄漏電流導致局部溫度升高到足夠高時，向故障點提供電流的 MnO 2陰極材料區域會發生故障，從而使故障點與進一步的電流流動隔離開來。不幸的是，這個過程會產生松散的氧氣：2(MnO 2 ) + (能量) --> Mn 2 O 3+ O。成功的自愈事件和煙火式失敗之間的區別在于，這種氧氣是否會在足夠高的溫度下找到鉭金屬以自動點燃。環境溫度和可用于在故障點引起歐姆加熱的電氣故障電流量都是影響結果的因素。

　　MnO 2設計考慮

　　雖然建議仔細研究制造商的應用文獻，但為不耐煩的人提供以下有關 Ta/MnO 2電容器應用的指南：

　　使用串聯電阻：限制可用于故障的外部電流大大降低了故障點達到臨界點火溫度的機會。從歷史上看，建議使用每施加伏特 1 至 3 歐姆的串聯電阻。現代設計可能無法承受如此大的 ESR，并且如果突然出現故障，較大的設備在充電時可能會包含足夠的電能以自燃。在這些情況下，降額和設備篩選尤為重要。

　　降額電壓：為了(顯著)提高穩態可靠性，將設備從額定電壓降額一半，當串聯電阻極低時降額高達 70%，大約為每施加伏特 0.01 歐姆或更低。如果電流受到外部限制，那么低至 20% 的降額就足夠了。建議使用進一步的(復合)溫度降額系數，從 0 @ 85°C 線性增加到 33% @ 125°C，盡管高溫產品系列可能有所不同。

　　小心老化：由于組裝引起的介電故障，許多鉭故障發生在組裝設備的首次通電時。通過限流源逐漸施加電壓來促進成功的自我修復可能會避免其中一些故障。隨后暴露于最大預期電氣和環境應力將作為驗證測試，因為 Ta/MnO 2電容器一旦承受給定的一組應力，就可能幾乎無限期地承受這些應力。

　　限制瞬態電流：應避免超過制造商規定的浪涌電流限制的電流，包括非常規事件引起的電流，例如電池或電源的熱插拔、系統輸出的短路故障等。在沒有浪涌電流規范的情況下，建議使用值I max

　　遵守紋波電流/溫度限制：紋波電流額定值通常基于使設備溫度高于環境溫度產生給定升高所需的紋波量。除了產生的波形會違反電壓或浪涌電流限制的情況外，紋波電流限制是一個熱管理問題。評估數據表紋波限制數字指定的測試條件，并根據實際應用條件調整這些限制。

　　用于聚合物和濕鉭

　　當它們確實發生故障時，鉭聚合物電容器往往會變成一個熱電阻，而不是迅速膨脹的熱氣體和彈片云。由于這一點以及組裝引起的缺陷風險降低，他們的應用經驗法則稍微簡單一些：將電壓降額 20%，遵守推薦的紋波電流限值，并在高溫下遵循制造商推薦的降額時間表。對于濕鉭，能夠證明部件成本合理的應用類型也可能需要逐個部件地對系統進行詳細的可靠性分析，從而使經驗法則不如在其他應用中可能有價值. 因此，建議采用 20% 的標準降額系數，并建議用戶注意這些設備中常見的相對較低的頻率響應特性。

　　什么是氧化鈮電容器?

　　圖 19：氧化鈮電容器。

　　設備構造和顯著特征

　　氧化鈮電容器在結構上類似于鉭和二氧化錳 (Ta/MnO 2 ) 器件，使用燒結氧化鈮 (NbO) 代替金屬鉭作為陽極材料。主要由 AVX 生產，作為 Ta/MnO 2電容器的替代品，這種電容器不會在發生故障時發生嚴重的爆燃傾向，并且還具有改善原材料供應物流的潛力，氧化鈮電容器與鉭聚合物器件競爭各種的應用程序。氧化鈮電容器的結構類似于 Ta/MnO 2器件;陽極材料由高度多孔、海綿狀的鈮(一)氧化物(NbO)組成，其上有一層鈮(五)氧化物(Nb 2 O 5) 建立起來，并在其周圍建立二氧化錳對電極，其方式類似于常見的 Ta/MnO 2設備。基于鈮金屬(而非氧化物 NbO)和聚合物電解質技術的電容器也已開發，但在撰寫本文時尚未大量生產。

　　圖 20：在撰寫本文時 Digi-Key 提供的氧化鈮電容器的電容值與額定電壓關系圖。

　　為什么是鈮?

　　千禧年之交需求旺盛導致鉭供應短缺，導致鉭電容器在一個季節成為稀有且昂貴的物品，導致生產難題，從而推動了基于鈮的設備的開發。相對于主要用于電子工業的鉭，鈮在自然界中的含量估計高出 20 倍左右，并且還廣泛用作鋼鐵生產中的合金元素，其用量遠大于電子工業所需的量目的。在開始時有更多的材料和電子行業不是它的主要買家之間，原材料的長期供應前景被認為有利于鈮而不是鉭。

　　應用優勢和劣勢

　　氧化鈮/二氧化錳電容器與鉭電容器相比具有顯著優勢，因為它們在發生災難性故障時通常不會點燃。這歸因于與鉭相比，點燃氧化鈮所需的能量要大得多，以及二次自愈效應，其中暴露在故障部位的氧化鈮陽極材料被進一步氧化成導電性較低的狀態。在這兩種效應之間，據說經歷災難性故障的氧化鈮電容器的行為是 Kohm 范圍內的高阻抗短路;一個足夠高的值以防止由此產生的故障電流提供足夠的能量以在額定電壓下點燃設備。相對于Ta/MnO 2器件，NbO/MnO 2目前的電容器在性能方面有點落后，僅限于 10 V 或更低的額定電壓，泄漏電流大約是鉭電容器的兩倍，單位體積的電容略低，以及超過 85°C 的更高溫度降額。另一方面，“不會起火”是一個非常好的特性，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，但據說氧化鈮技術在長期使用壽命和環境耐受性方面仍具有優勢，特別是在高濕度應用中。如果沒有其他原因，它是一項有趣的技術，僅僅是因為通過銷售和

　　應用注意事項

　　氧化鈮電容器的耐火特性允許基于 NbO 的設備相對于其基于鉭的對應物具有更積極的應用。雖然使用 Ta/MnO 2電容器進行設計的經驗法則是將電壓降額 50%(如果串聯電阻非常低，則降額更多)，基于 NbO 的設備 (AVX) 的領先制造商建議降額僅 20% 的電壓足以安全運行。超出這些水平的額外降額可以顯著提高兩種設備類型的長期可靠性。此外，由于器件的內部結構和固態 MnO 2電解質的熱機械特性得以保留，因此建議氧化鈮電容器的用戶注意組裝過程引起的潛在故障。

　　什么是硅和薄膜電容器?

　　圖 21：各種封裝形式的硅和薄膜電容器。(不按比例)

　　設備構造和顯著特征

　　硅和薄膜電容器是一種相對較新的設備，使用從半導體行業借來的工具、方法和材料生產。這些技術提供的對結構和材料的精確控制使生產的電容器具有出色的參數穩定性、最小的 ESR 和 ESL、廣泛的工作溫度能力，并且與 1 類陶瓷類型設備相比具有更好的單位體積電容他們最直接地競爭。它們的主要缺點包括成本高，以及相關的可用電容值范圍相對有限。通常基于氧化硅/氮化物電介質，“薄膜”和“硅”電容器之間的區別在某種程度上是一種營銷讓步，盡管內部和內部存在顯著差異 兩者之間取決于預期的應用。針對 RF 調諧和匹配應用的設備往往是低電容單層設備，針對參數穩定性和一致性進行了優化，并且通常采用標準 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用的器件允許更大的公差，有利于實現更高的比電容，并且更有可能在適應先進組裝方法(例如引線鍵合或嵌入在印刷電路板。然而，無論預期應用如何，薄膜和硅電容器系列中的器件都是高性能產品，并且價格相應，在撰寫本文時，價格是具有類似電容和電壓額定值的陶瓷設備價格的 5 到 5000 倍左右。設計為高精度設備的部件主要與基于 C0G (NPO) 電介質的陶瓷電容器競爭，作為射頻和微波應用的更高性能替代品。雖然這些 I 類陶瓷器件非常好，并且經過幾十年的改進，它們本身也接近理想狀態，但制造特性的差異使得薄膜/硅器件在器件和制造批次之間的一致性方面要好一些。更高容量的薄膜/硅電容器與基于 X7R 和 X8R 電介質的 II 類陶瓷更直接地競爭，用于去耦和寬帶直流阻斷應用。為了這些目的，

　　圖 22：硅和薄膜電容器的電容值與額定電壓的關系圖。

　　什么是微調電容器和可變電容器?

　　圖 23：各種樣式和封裝類型的微調和可變電容器。(不按比例)

　　設備構造和顯著特征

　　微調電容器和可變電容器是提供在一定范圍內可變電容的設備，這兩個術語之間的差異主要是設計意圖之一;“微調”電容器在其使用壽命期間通常只需要調整幾次，而“可變”電容器需要進行常規調整。使用了許多不同的結構類型，但幾乎沒有例外，它們屬于靜電類型，并通過改變電極之間的有效表面積、它們之間的距離或兩者來實現其可調節性。

　　圖 24：在撰寫本文時 Digi-Key 提供的微調電容器和可變電容器的電容值與額定電壓的關系圖。

　　一種常見的設計方法類似于共用軸上的兩個小輪子，每個輪子上鍍有半圓形(或類似形狀)的電極材料。通過改變兩個“輪子”相對于彼此的旋轉角度，可以改變它們之間的有效電容。除此之外，根據給定應用的需要，改變每個“輪子”上電極的形狀可以在旋轉調整角度和設備電容之間產生不同的關系。該方法的一個變體可能涉及使用蝸輪或類似的機械裝置來改變兩個“輪子”的相對旋轉，以便在設備的變化范圍內提供更高的調節分辨率。其他設計包括可變活塞電容器，它通過改變同心圓筒之間的重疊程度來工作，

　　常見用法和應用

　　微調電容器和可變電容器通常用于射頻電路中的調諧和匹配應用。通過將機械指示器掃過刻度(或反之亦然)來指示所選調諧頻率的無線電接收器通常在指示器和調諧電路中使用的可變電容器之間具有機械連接。大多數此類接收器采用較舊的老式或較低成本/質量設計，但現代應用可能仍包括用于微調或校準目的的微調電容器。另一方面，可變電容器(設計用于頻繁調整的那種)是一種瀕臨滅絕的物種。使用由更好的制造公差和更新的技術實現的替代設計技術，使特有的笨重、漂移、機械笨重，

　　常見故障機制/關鍵設計注意事項

　　可以在微調器和可變電容器中發現的器件結構的廣泛變化排除了本文對它們的具體優點和缺點的擴展討論。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備的優點;任何影響電介質、電極幾何形狀或電極定位的因素都會影響器件電容。例如，空氣電介質設備在給定設置下會隨著大氣壓力、溫度和濕度的變化而表現出電容變化，因為所有這些因素都會在很小程度上影響空氣的介電常數。同樣，真空介質電容器也會受到泄漏或真空損失的影響。從機械的角度來看，最終組件的剛度會影響電容在機械沖擊或振動方面的穩定性，調節機構的設計也會影響隨時間漂移的趨勢。電容器快速參考指南 下一頁的表格提供了不同電容器類型及其相對優點的簡要總結，大致按照每種類型提供的電容數量減少(或質量增加)排列。

　　圖 25：電容器快速參考指南。