[原创] 【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】——02电容知识知多少？

 

        电容是电子电路设计中最常用的元器件之一，一款手机主板大约会使用3000多个元器件，其中电容约占三分之一。手机主板如图1所示，白框标注了CPU的电源分配网络（PDN）电容，在主板中占据了大量面积，下面我们将开始了解手机主板上用料最多的元器件——电容。

图 1

        电容主要分为陶瓷电容、电解电容、钽电容，电解电容和钽电容具有极性（有方向要求），陶瓷电容无极性。其中，陶瓷电容又可以分为X7R、X5R、X6S、NP0、COG等类型。我们在做工程师，一定要注意，实际环境中没有完美的器件，一切器件都有寄生参数。因此，下面就电容的DC偏压特性、电容等效模型、AC特性和温度特性进行讲解。

        DC偏压特性，主要指电容的容值随着加载两端的有效电压升高而下降，这就意味着电容两端电压越高，电容容值越低（这需要在电容耐压值之内）。图2所示为10uF/10V电容的偏压特性，当电容两端电压为10V时，电容有效容值降低70%，仅3uF。

图 2

        在MLCC陶瓷电容中，只有X7R、X5R、X6S电容有DC偏压特性，而NP0和C)G无此特性，这主要由电容自身的材料所决定。陶瓷电容的电介质主要以BaTiO3 (钛酸钡) 作为主要成分，BaTiO3具有如图3所示的钙钛矿 (perovskite) 形的晶体结构，在居里温度以上时，为立方晶体 (cubic) ，Ba2+离子位于顶点，O2-离子位于表面中心，Ti4+离子位于立方体中心的位置。这是在居里温度 (约125℃) 以上时的立方晶体 (cubic) 的晶体结构，在此温度以下的常温领域，向一个轴 (C轴) 延长，其他轴略微缩短的正方体 (tetragonal) 晶体结构。

图 3

        此时，作为Ti4+离子在结晶单位的延长方向上发生了偏移的结果，产生极化，不过，这个极化即使在没有外部电场或电压的情况下也会产生，因此，称为自发极化 (spontaneous polarization) 。自发极化会受到外部电场力作用，极化方向会发生变化。当从外部施加直流电压时，由于电介质中的自发极化受到电场方向的束缚，因此不易发生自发极化时的自由相转变，表现为电容率（介电常数）变化，从而使得有效容值发生变化。

        电容等效模型。在一些情况下，电容可能会变成电感，这是什么原因呢？理想的电容，随着频率增加，它的阻抗越来越小，但是实际电容存在ESR（等效电阻）和ESL（等效电感），可能会导致串联谐振，由于ESR和ESL的存在，实际电容在低频处呈现容性，高频处呈现感性。因此，电容的等效模型如图4所示，主要由ESR、ESL、Rleak、C组成，Rleak表示电容漏电流等效阻抗。

图 4

        实际电容存在阻抗-频率曲线，如图5所示。当容抗等于阻抗时，刚好到电容阻抗转折点，此时形成谐振，电容阻抗最小。通常所说的小电容高频特性好，就是说的谐振频率高。这个参数非常重要，常常被用于优化手机电源PDN。

图 5

        AC特性，主要指电容的有效容值会随着交流电压 变化而变化。在AC电压环境下，电容的电压和电流的关系并非线性，而是呈现出一种称为阻抗的复数特性。这是因为电容对交流电压的响应取决于电压的频率。在低频下，电容可以看作是一个开路，阻止电流通过；而在高频下，电容则可以看作是一个短路，允许电流自由通过。

        电容的温度特性，不同类型的电容，由于制作使用的材料不同，将导致其在不同温度下容量发生变化，这个参数是电容稳定性的表现。陶瓷电容可以分为I类和II类电容。一般，C0G和NP0为I类陶瓷电容，这类电容容量稳定性好、精度高、对温度不敏感，即温度变化导致电容容量变化较小，但是电容容量较小，一般是pF级。X7R和X5R属于II类电容，由于温度引起的容量偏差较大，但此类电容可以制作大电容，可以达到几十甚至上百uF。