标签: 钽电容

电源往往是我们在电路设计过程中最容易忽略的环节。其实，作为一款优秀的设计，电源设计应当是很重要的，它很大程度影响了整个系统的性能和成本。 这里，只介绍一下电路板电源设计中的电容使用情况。这往往又是电源设计中最容易被忽略的地方。很多人搞 ARM ，搞 DSP ，搞 FPGA ，乍一看似乎搞的很高深，但未必有能力为自己的系统提供一套廉价可靠的电源方案。这也是我们国产电子产品功能丰富而性能差的一个主要原因。 言归正转，先给大家介绍一下电容。 大家对电容的概念大多还停留在理想的电容阶段，一般认为电容就是一个 C 。却不知道电容还有很多重要的参数，也不知道一个 1uF 的瓷片电容和一个 1uF 的铝电解电容有什么不同。实际的电容可以等效成下面的电路形式： C ：电容容值。一般是指在 1kHz ， 1V 等效 AC 电压，直流偏压为 0V 情况下测到的，不过也可有很多电容测量的环境不同。但有一点需注意，电容值 C 本身是会随环境发生改变的。 ESL ：电容等效串联电感。电容的管脚是存在电感的。在低频应用时感抗较小，所以可以不考虑。当频率较高时，就要考虑这个电感了。举个例子，一个 0805 封装的 0.1uF 贴片电容，每管脚电感 1.2nH ，那么 ESL 是 2.4nH ，可以算一下 C 和 ESL 的谐振频率为 10MHz 左右，当频率高于 10MHz ，则电容体现为电感特性。 ESR ：电容等效串联电阻。无论哪种电容都会有一个等效串联电阻，当电容工作在谐振点频率时，电容的容抗和感抗大小相等，于是等效成一个电阻，这个电阻就是 ESR 。因电容结构不同而有很大差异。铝电解电容 ESR 一般由几百毫欧到几欧，瓷片电容一般为几十毫欧，钽电容介于铝电解电容和瓷片电容之间。 下面，我们看一些 X7R 材质瓷片电容的频率特性： 当然，电容相关的参数还有很多，不过，设计中最重要的还是 C 和 ESR 。 下面，简单介绍一下我们常用到的三种电容：铝电解电容、瓷片电容、钽电容。 1 ）铝电容是由铝箔刻槽氧化后再夹绝缘层卷制，然后再浸电解质液制成的，其原理是化学原理，电容充放电靠的是化学反应，电容对信号的响应速度受电解质中带电离子的移动速度限制，一般都应用在频率较低（ 1M 以下）的滤波场合， ESR 主要为铝萡电阻和电解液等效电阻的和，值比较大。 铝电容的电解液会逐渐挥发而导致电容减小甚至失效，随温度升高挥发速度加快。温度每升高 10 度，电解电容的寿命会减半。如果电容在室温 27 度时能使用 10000 小时的话， 57 度的环境下只能使用 1250 小时。所以铝电解电容尽量不要太靠近热源。 2 ）瓷片电容存放电靠的是物理反应，因而具有很高的响应速度，可以应用到上 G 的场合。不过，瓷片电容因为介质不同，也呈现很大的差异。 性能最好的是 C0G 材质的电容，温度系数小，不过材质介电常数小，所以容值不可能做太大。而性能最差的是 Z5U/Y5V 材质，这种材质介电常数大，所以容值能做到几十微法。但是这种材质受温度影响和直流偏压（直流电压会致使材质极化，使电容量减小）影响很严重。 下面，我们看一下 C0G 、 X5R 、 Y5V 三种材质电容受环境温度和直流工作电压的影响。 可以看到， C0G 的容值基本不随温度变化， X5R 稳定性稍差些，而 Y5V 材质在 60 度时，容量变为标称值的 50% 。 可以看到 50V 耐压的 Y5V 瓷片电容在应用在 30V 时，容量只有标称值的 30% 。陶瓷电容有一个很大的缺点，就是易碎。所以需要避免磕碰，尽量远离电路板易发生形变的地方。 3 ）钽电容无论是原理和结构都像一个电池。下面是钽电容的内部结构示意图： 钽电容拥有体积小、容量大、速度快、 ESR 低等优势，价格也比较高。决定钽电容容量和耐压的是原材料钽粉颗粒的大小。颗粒越细可以得到越大的电容，而如果想得到较大的耐压就需要较厚的 Ta2O5 ，这就要求使用颗粒大些的钽粉。所以体积相同要想获得耐压高而又容量大的钽电容难度很大。 钽电容需引起注意的另一个地方是：钽电容比较容易击穿而呈短路特性，抗浪涌能力差。很可能由于一个大的瞬间电流导致电容烧毁而形成短路。这在使用超大容量钽电容时需考虑（比如 1000uF 钽电容）。 从上面可以了解到，不同的电容有不同的应用场合，并不是价格越高越好。 接下来，讲一下电源设计中电容的作用。 在电源设计应用中，电容主要用于滤波（ filter ）和退耦 / 旁路（ decoupling/bypass ）。滤波主要指滤除外来噪声，而退耦 / 旁路（一种，以旁路的形式达到退耦效果，以后用 “ 退耦 ” 代替）是减小局部电路对外的噪声干扰。很多人容易把两者搞混。下面我们看一个电路结构： 图中开关电源为 A 和 B 供电。电流经 C1 后再经过一段 PCB 走线（暂等效为一个电感，实际用电磁波理论分析这种等效是有误的，但为方便理解，仍采用这种等效方式。）分开两路分别供给 A 和 B 。 开关电源出来的纹波比较大，于是我们使用 C1 对电源进行滤波，为 A 和 B 提供稳定的电压。 C1 需要尽可能的靠近电源放置。 C2 和 C3 均为旁路电容，起退耦作用。当 A 在某一瞬间需要一个很大的电流时，如果没有 C2 和 C3 ，那么会因为线路电感的原因 A 端的电压会变低，而 B 端电压同样受 A 端电压影响而降低，于是局部电路 A 的电流变化引起了局部电路 B 的电源电压，从而对 B 电路的信号产生影响。同样， B 的电流变化也会对 A 形成干扰。这就是 “ 共路耦合干扰 ” 。 增加了 C2 后，局部电路再需要一个瞬间的大电流的时候，电容 C2 可以为 A 暂时提供电流，即使共路部分电感存在， A 端电压不会下降太多。对 B 的影响也会减小很多。于是通过电流旁路起到了退耦的作用。 一般滤波主要使用大容量电容，对速度要求不是很快，但对电容值要求较大。一般使用铝电解电容。浪涌电流较小的情况下，使用钽电容代替铝电解电容效果会更好一些。从上面的例子我们可以知道，作为退耦的电容，必需有很快的响应速度才能达到效果。如果图中的局部电路 A 是指一个芯片的话，那么退耦电容要用瓷片电容，而且电容尽可能靠近芯片的电源引脚。 而如果 “ 局部电路 A” 是指一个功能模块的话，可以使用瓷片电容，如果容量不够也可以使用钽电容或铝电解电容（前提是功能模块中各芯片都有了退耦电容 — 瓷片电容）。滤波电容的容量往往都可以从开关电源芯片的数据手册里找到计算公式。如果滤波电路同时使用电解电容、钽电容和瓷片电容的话，把电解电容放的离开关电源最近，这样能保护钽电容。瓷片电容放在钽电容后面。这样可以获得最好的滤波效果。 退耦电容需要满足两个要求，一个是容量需求，另一个是 ESR 需求。也就是说一个 0.1uF 的电容退耦效果也许不如两个 0.01uF 电容效果好。而且， 0.01uF 电容在较高频段有更低的阻抗，在这些频段内如果一个 0.01uF 电容能达到容量需求，那么它将比 0.1uF 电容拥有更好的退耦效果。 很多管脚较多的高速芯片设计指导手册会给出电源设计对退耦电容的要求，比如一款 500 多脚的 BGA 封装要求 3.3V 电源至少有 30 个瓷片电容，还要有几个大电容，总容量要 200uF 以上。 关注公众号“优特美尔商城”，获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯，欢迎留言讨论。

钽电容使用中的压降问题 在此我们以AVX 贴片钽电容的TAJ 系列为例，来说明钽电容使用中的压降问题。 　　在此我们以 AVX 贴片 钽电容 的TAJ 系列为例，进行说明如下： 　　1. 钽 电容 的浪涌电压 　　钽电容的浪涌电压是指电容在很短的时间经过最小的串联 电阻 的电路33Ohms（ CEC C 国家1KΩ）能承受的最高电压。浪涌电压，常温下一个小时时间内可达到高达10 倍额度电压并高达30 秒的时间。浪涌电压只作为参考参数，不能用作 电路设计 的依据，在正常运行过程中，电容应定期充电和放电。 　　不同温度下浪涌电压的值是不一样的，在85 度及以下温度时，分类电压VC 等于额定电压VR，浪涌电压VS 等于额度电压VR 的1.3 倍；在85 到125 度时，分类电压VC 等于额定电压VR 的0.66 倍，浪涌电压VS 等于分类电压VC 的1.3 倍。 　　AVX 钽电容能承受的电压和电流浪涌能力是有限的，这是基于所有电解电容的共同属性，一个值够高的电应力会穿过电介质，从而破坏了介质。例如一个6 伏的钽电容在额定电压运行时，有一个167 千伏/毫米电压的电场。因此一定要确保整个电容器终端的电压的决不会超过规定的浪涌电压评级。作为钽电容负极板层使用的半导体二氧化锰有自愈能力。然而，这种低阻是有限的。在低阻抗电路的情况下，电容器可能被浪涌电流击穿。降压的电容，增加了元件的可靠性。AVX 公司推荐降级表总结额定电压使用上常见的电压轨迹，低阻抗钽电容在电路进行快速充电或放电时，保护电阻建议为1Ω/ V.如果达不到此要求应使用钽电容器降压系数高达70%.在这种情况下，可能需要更高的电压比作为一个单一的电容。 A 系列组合应被用来增加工作电压的等效电容器：例如，两个22μF25V 系列部分相当于一个11μF50V 的一部分。 　　2. 钽电容的反向电压 　　AVX 钽电容的反向电压是有严格的限制的，具体如下： 　　在1.0V 25° C 条件下最大为10%的额定直流工作电压在0.5V 85° C 条件下最大为3%的额定直流工作电压在0.1V 125℃条件下最大为1%的额定直流工作电压反向电压值均以钽电容在任何时间上的最高电压值为准。这些限制是假设钽电容器偏振光在其大多数的正确方向工作寿命。他们的目的是涵盖短期逆转如发生在开关瞬态极性期间的一个印象深刻的波形的一小部分。连续施加反向电压会导致两极分化，将导致漏电流增大。 　　在在何种情况下连续反向应用电压可能会出现两个类似的电容应采用与负端接背回配置连接在一起。在大多数情况下这种组合将有一个标称电容的电容的一半无论是电容。在孤立的脉冲条件或在最初几个周期内，电容可能的方法完整的标称值。反向电压等级的设计盖小级别游览得天独厚的条件弄错极性。引用的值是不打算覆盖连续的反向操作。 　　3. 钽电容的叠加交流电压（Vr.m.s.）------又称纹波电压 　　这是最大的r.m.s.交流电压；叠加一个特区电压，可应用到一个电容。在华盛顿的总和电压和峰值叠加A.C.电压不得超过该类别电压。 　　4. 钽电容的成型电压 　　这是在阳极氧化形成的电压。 “这个氧化层的厚度是形成电压成正比一个电容器，并在设置额定电压的一个因素。 　　 唯样商城 -电子元器件采购网（www.oneyac.com）是本土元器件目录分销商，采用“小批量、现货、样品”销售模式，致力于满足客户多型号、高质量、快速交付的采购需求。 唯样 自建高效智能仓储，拥有自营库存超过50,000种，提供一站式正品现货采购、个性化解决方案、选型替代等多元化服务。

电容器的种类 1. 什么叫钽电容器 电容器是瞬间储蓄电荷的器件，其性能体现在能储蓄多少电荷。使用了对储蓄电荷有优异特性的钽元素的电容器被称为钽电容器。 2. 电容器的种类 电容器大致分为 铝电解电容器、多层陶瓷电容器、钽电容器 三种。根据使用的电介质性质不同，有以下特征。 铝电解电容器 多层陶瓷电容器 钽电容器 种类 铝电解电容器 多层陶瓷电容器 钽电容器 电介质 氧化铝 各种陶瓷 五氧化二钽 使用电压 4~400V 6.3~250V 2.5~50V 电容 47~10000μF 0.001~100μF 0.47~1000μF 优点 耐压、电容种类丰富 便宜 高频特性优良 无极性 小型、大电容 电容稳定 缺点 根据液体泄漏有一定的寿命 尺寸大 有极性 电容变化大 有开裂、剥落现象 故障为短路模式 有极性 电容器的基本功能 电容器大致用于以下三种用途。钽电容器作为电容器的一种，也被用于同样的用途 1. 储能用途 利用了电池功能。 电源瞬断或IC驱动速度急速上升引起负载电流变大时，电源的线电压下降，可能会导致IC故障。为防止发生故障，向IC侧提供电容器在电源线正常时储蓄的电荷，暂时维持电源线电压。 2. 去偶用途 利用了交流电流通特性。 为提供稳定的直流电压，去除重叠于电源线的外部感应性噪声及高速电路驱动引发的高频噪声。用于一般的电源电路。 3. 耦合用途 去除前段电路的直流偏置电压，只向后段电路传递交流信号电压。 一般用于音频电路。 钽电容的结构 钽 (Tantalum) 为金属名称，来源于希腊神话中的冥渊神Tartarus。 钽电容器在钽元素两端用引线框架构成电极，用模具树脂密封。 钽电容器为底面电极结构 封装底面电极结构的钽电容器即使有对面的贴装电路板靠近也不必担心短路。实现陶瓷电容器无法达到的设备的进一步薄型化。 陶瓷电容器 钽电容器 外观 五面电极 底面电极 贴装时 上面电路板与下面电路板之间如果不留空间，电极之间或陶瓷电容器与电路板之间会发生短路！可能因此设备不能正常工作。 上面电路板与下面电路板之间需要预留空间。 采用底面电极结构，不用担心与对面电路板发生短路！ 钽电容器只在底面有电极，因此不用担心像陶瓷电容器一样发生短路。 限制设备薄型化！ 有助于设备进一步薄型化！ 电路板弯曲应力强的钽电容器 树脂模具结构的钽电容器具有电路板弯曲应力强的优点。可以贴装于弯曲剧烈的电路板边缘，提高电路板设计自由度。另外，制造工程中操作电路板时也不用像陶瓷大容器一样注意许多事项。 电路板弯曲对比测试（2012尺寸产品） 变化小的电容特性 钽电容器 (TC) 因温度或直流电压变化引起的电容特性变化小，不用像陶瓷电容器 (MLCC) 一样使用时需要确认有效电容等。 钽电容器的电容特性 没有噪声问题！ 噪声在产品最终评估时被发现的情况较多，设备在销售前采取紧急措施的情况显著，这可能会导致巨大损失。钽电容器因产品自身不共振，所以不用担心噪声问题。 钽电容器的电容特性 来源：rohm

钽电容器（tantalum capacitor）是体积小而容量大的电容器产品，容量范围从47μF~1000μF，而且具有低ESR和高稳定特点，被工程师们称作“电容器之王”，特别适合集成度高又需要使用大容量的应用。近年来，新型聚合物钽电容器（polymer tantalum capacitor）在传统钽电容基础上，实现了高达500kHz工作频率和低至5mΩ的ESR，还能提供高达75V额定电压。 基本特点 传统钽电容器（MnO2钽电容）以低等效串联电阻(ESR)、高纹波抑制能力和长寿命为特点，能有效降低电路中的波纹电压，应用中不需要降额，非常受工程师的欢迎。虽然MnO2钽电容已能满足很多应用，新一代聚合物钽电容（polymer tantalum capacitor）在性能方面更胜一筹。 聚合物钽电容器以高电导率聚合物材料为阴极，具有无噪声、极低的等效串联电阻(ESR)、更高纹波抑制能力、长达十几年的使用寿命等特点，能有效抑制电路中的波纹电压。 使用中，聚合物钽电容的阻抗曲线呈现理想的电容器特性。当频率变化时，电容值非常稳定，主要特点包括： －高达500kHz工作频率 －ESR低至5mΩ －电压电压高达75V 这样，在电路发生短路后出现于传统固态钽电容器中的燃烧、冒烟现象将不会存在。 更高的容量稳定性 聚合物钽电容的容量随温度、电压和时间而变化的稳定性比MLCC高。 MLCC对老化比较敏感，而聚合物钽电容再长达20年的工作寿命内，呈现出良好的长期性能稳定性，是很取代大多数铝电解电容器应用，后者使用寿命仅仅２年时间。 聚合物钽电容在 -55°C低温下容值几乎没有变化，但在125°C高温下的性能表现不如MnO2电容，后者可在高达200°C的高温下工作。 在高频下具有极低ESR 对于MnO2电容器，其ESR典型值为40－50mΩ，这个相对较高的ESR值是其一个短板，并出现10kHz以上的应用中，使其应用范围严重受限。 相较而言，聚合物钽电容将ESR降低到了5mΩ以下，因此可用于高达500kHz的应用中。 无须在容量与频率之间折衷 在工作频率接近1MHz时，聚合物铝电解电容器可实现低至2mΩ ESR，配合一些稍微复杂的设计，还可实现再高一些的电容保持。但是，这种ESR降低是通过折衷聚合物铝电解电容器的最大电容量来实现的，其电容值只有相同封装尺寸的聚合物钽电容的50-80％。 相较0805尺寸的聚合物钽电容，对应的聚合物铝电解电容器尺寸为7343。电压方面，聚合物钽电容的额定电压为75V，对应的聚合物铝电解电容器为35V。

在服务器和工业控制电源中，高电流、低压差和快速瞬态响应至关紧要，这就需要与之对应的特殊电源方案。本方案采用低压差PNP稳压器驱动器，专为给那些要求高电流、低压差和快速瞬态响应的应用提供低成本解决方案而设计。 方案特点 本方案采用LT1573稳压器，与外部PNP电源开关相组合时，可在压差电压低至0.35V的情况下提供高达5A的负载电流。在快速、高电流负载瞬变的应用中，该稳压器可极大地减少大容量存储电容。 为了保持低的成本和复杂性，LT1573运用了一种新的时间延迟型闭锁过流保护方法，此方法无需外部电流检测电阻器。基极驱动受限以提供瞬时保护，而时间延迟型闭锁可为稳压器提供针对持续短路的保护作用。 芯齐齐BOM分析 本电路主要元件有稳压芯片U1（LT1573）、PNP三极管Q1（D45H11）和两个钽电解电容器C2、C4。 芯齐齐智能BOM分析工具显示，LT1573是可调型稳压器，输出准确度优于1%，以满足快速微处理器至关紧要的稳压要求。器件采用一种特殊的8引脚、熔融引线表面贴装型封装，以较大限度减小稳压器占板面积并提供足够的散热。 C２、C４为220μF钽电解电容器，额定电压6.3V，不要低于5V。C3采用1μF MLCC陶瓷电容器，工作温度低于45°C时选择Y5V型，工作温度大于45°C时选择X7R型。布线时，C３应放置在CPU的插座腔内。