薄膜電容、陶瓷電容、鉭電容和電解電容器，這些電容器各有什么不同，在使用時應(yīng)該注意什么？本文對幾種不同的電容器進(jìn)行了比較，并分享了多名美國工程師使用電容器的經(jīng)驗......

不要以為設(shè)計中的簡單無源元件不會帶來麻煩。像電容器這樣的簡單元件就可能會帶來極大的問題。模擬大師Bob Pease（圖1）1982年曾寫過一篇有關(guān)電容器介質(zhì)靜電荷（capacitor soakage）的文章，他討論的原則在39年后仍然有效。

圖1：Bob Pease早在1982年就警告我們要注意電容器介質(zhì)靜電荷問題。他的擔(dān)心如今仍然存在。

Pease描述的介質(zhì)靜電荷問題就像電容器的記憶效應(yīng)。如果對高電壓電容器進(jìn)行放電，則移除短路時，電容器上的電壓會回彈。介質(zhì)靜電荷的另一個名稱是介電吸收，它提示電容器中的絕緣電介質(zhì)吸收了電荷，并且電荷被“困”在電介質(zhì)中。它無法放電，因此電壓再次出現(xiàn)。這并不奇怪，駐極體麥克風(fēng)的工作原理是使介電層有意保留電荷。浸潤可能會對高壓電動機(jī)應(yīng)用中的電容器造成電擊危險，還會對信號處理應(yīng)用造成嚴(yán)重破壞，因為電荷存儲在電容器中，而電容器是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一部分。存留的電荷是產(chǎn)生誤差的直接因素，會給出錯誤的測量讀數(shù)。

我有一個朋友在一家ADSL公司工作，他們的線卡用于電話公司的局端。這些卡是的電話公司硬件，DSL調(diào)制解調(diào)器與這些卡進(jìn)行通信。DSL在使用中會分配大量的頻格（Frequency Bin）。線卡測量進(jìn)入房屋的雙絞線阻抗，然后適應(yīng)進(jìn)入房屋的特定雙絞線的特定阻抗曲線。線卡原型工作很正常。然后工程師將振鈴信號加到線路上，就像電話響了一樣。DSL線卡和調(diào)制解調(diào)器會解除鎖定，然后重新協(xié)商連接，盡管兩者之間的線路沒有任何變化。電話振鈴信號約為交流90V。這個大電壓在線卡電路的某些電容器中產(chǎn)生了介電吸收，線卡感應(yīng)到阻抗變化，因而解除鎖定并重新協(xié)商。當(dāng)我的朋友認(rèn)識到這一點，然后換上低浸潤電容器，問題就消失了。

盡管電容的原理圖符號很簡單，但實際上電容器有許多不同的結(jié)構(gòu)（圖2）。為了得到最大電容值，電容器制造商制造具有箔片和液體電介質(zhì)的鋁電解電容器。這種結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生兩個問題：電解電容器會產(chǎn)生極化，同時可靠性很差。如果在正極端子上施加一個負(fù)電壓，則電容器會被爆炸，而且爆炸力很強(qiáng)。這就是為什么在對原型開機(jī)和進(jìn)行故障排除時應(yīng)戴上安全眼鏡的原因，哪怕技工能夠保證所有電容器焊接正確。

圖2：電容器的種類很多，包括薄膜、陶瓷、鉭和電解電容器。（圖片來源：維基百科）

鉭電容器也有較高的電容值，并且也會極化。像電解電容器一樣，鉭電容器的可靠性比任何其他組件都要差幾個數(shù)量級，電位計可能除外。如果要求高可靠性，則可使用濕塞式軍用規(guī)格鉭電容器來替代，這些電容器比較貴。還要注意的是，發(fā)熱會使一切變得更糟，即使在室溫環(huán)境下，流入這些大容量電容器的電流也會使它們變得很熱。

如今許多工程師都將陶瓷電容器視為理想的電容器，但事實并非如此。現(xiàn)在其最大值為幾百μF，但是這些大容量電容器的溫度系數(shù)很差，因此電容值會隨溫度波動而明顯變化。為了獲得溫度穩(wěn)定性，必須使用NPO或COG電介質(zhì)，而這些電介質(zhì)的電容值要小得多，從幾pF到幾千pF。由于額定電壓更高的電容器需要其電板之間的距離更大，所以尺寸、電壓和電容值是直接相關(guān)的。如果需要高壓大容量電容器，則必須接受它的物理尺寸更大這一事實。

陶瓷電容器的另一個問題是會產(chǎn)生噪音。我的另一位朋友設(shè)計了一個60W的LED燈泡。他知道如果要讓電源的可靠性與LED發(fā)射器的可靠性相當(dāng)，必須取出所有電解電容器。他找到了一些大容值陶瓷電容，但發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)光電路調(diào)到音頻范圍開關(guān)頻率時，這些電容會“尖叫”。陶瓷電容器也有顫噪效應(yīng)。如果敲一下信號路徑上的陶瓷電容器，會看到示波器上的信號急劇跳變。

我曾為軍事承包商工作，他們總是備有全套的云母電容器。這些都是低損耗的電容器，在介電吸收和溫度方面近乎完美，但為此也付出了代價，即尺寸大、容值小。另一種選擇是纏繞或堆疊薄膜電容器。薄膜電介質(zhì)幾乎沒有浸潤，且溫度系數(shù)適中。它們與相關(guān)的聚丙烯電容器的另一個好處是會自我修復(fù)，就像信得過的老式Orange Drop電容器一樣。如果高壓擊穿了絕緣膜，則被擊穿的膜將局部熔化并保護(hù)電容器的其余部分。其電容值幾乎完全相同，并且故障不是短路或開路。

電容器的關(guān)鍵參數(shù)是其內(nèi)部阻抗，這既是等效串聯(lián)電感（ESL）又是等效串聯(lián)電阻（ESR）。完美的電容器根本不存在，而且完美還可能帶來麻煩。許多開關(guān)電源架構(gòu)都依賴輸出電容器的ESR。ESR可提供與流入電容的電流成比例的小信號，控制芯片在反饋電路中使用此信號。因此，用可靠性更高的陶瓷電容器代替電解電容器可能只會使電源在部分或全部負(fù)載下發(fā)生振蕩。大多數(shù)電源芯片的數(shù)據(jù)表中都會清楚說明是否可以使用陶瓷輸出電容器。確保利用Spice仿真對所用電容器的ESL和ESR建模。

最極端的電容器是超級電容器，電容值達(dá)到幾個法拉，但通常電壓較低。你可以將超級電容器視為電池，它們具有三個重要優(yōu)勢。首先，它們的使用壽命不會減短，即使充電和放電10,000次，其電容值和性能都不會改變；超級電容器的第二個優(yōu)點是它們的內(nèi)部阻抗較低（圖3），就是我們提到的ESL和ESR。這意味著其充電速度和放電速度都很快，例如可以驅(qū)動照相機(jī)閃光燈或電源電路的初始升壓充電；第三個優(yōu)點是可以將超級電容器一直放電至零伏，釋放所有能量，而鋰離子電池只能從4.2V放電至3.3V（圖4）。

圖3：左上方的超級電容器無法提供與右側(cè)的電池同樣多的能量，但是其內(nèi)部阻抗較低，因此可以提供更大的瞬時功率。（圖片來源：維基百科）

圖4：超級電容器可以一直放電到零伏，其內(nèi)部阻抗較低，可以快速充電和放電。（圖片來源：維基百科）

維基百科很好地描述了電容器及其類型。一定要向有經(jīng)驗的老工程師及應(yīng)用工程師了解電容器及電容器的不同。我看到過一個關(guān)于PCB車間的話題，一個中國組裝廠說服工程師將其所有被動器件替換為中國廠商的器件。這個決定非常魯莽，除非你花時間找出幾十個這些零件，并評估其性能隨時間和溫度的變化情況。當(dāng)電容器發(fā)生故障或不能保持其電容值時，電路就會斷開，就好像某些IC燒毀一樣。一定要從主流分銷商那里購買電容器，因為他們的庫存都是來自知名制造商的高質(zhì)量產(chǎn)品。

關(guān)于電容器，其他工程師在自己的職業(yè)生涯中又發(fā)生了怎樣的故事呢？

@JohnCSr

陶瓷SMD電容器也有巨大的電壓降額，降額系數(shù)高達(dá)80％，可能看起來是10μF，實際上是2μF。這個問題通?？梢杂霉ぷ麟妷狠^高的大電容來解決。另一個問題是電容值大、尺寸小的SMD電容器的物理開裂，這可能與焊接過程中的熱應(yīng)力有關(guān)。大多數(shù)時候它們會開路，也有可能短路。現(xiàn)在已經(jīng)有電容器可以提供更好的電壓降額和抗斷裂性能。

@ Paul.Rako（本文作者）

“非常精彩的分享，JohnCSr。當(dāng)我為一家軍事承包商工作時，我不想相信可靠性準(zhǔn)則，但是測試實驗室的人向我保證，降額對于保證電容器的壽命至關(guān)重要。他們還教我，密封的元件壽命更長。你對熱應(yīng)力的觀察十分準(zhǔn)確。我記得一個測試技術(shù)員曾微笑著說他可以用-55°C至+ 125°C的熱沖擊破壞我設(shè)計的任何產(chǎn)品。我相信他說的。我們看到的另一件事是，在溫度變化的情況下，軟灌封并沒有使元件破裂，但也沒有散去太多熱量。工程是很難的，這一點毋庸置疑。

@ Hooey0

我們最近發(fā)生了10μF/ 16伏陶瓷芯片電容器用來過濾5伏電壓的故障。短路了，在此過程中還弄壞了其他一些元件。這個電容器以及CCA上的其他10個類似的電容器已經(jīng)用了5年多，所以我們沒什么好抱怨的。隨機(jī)故障有可能發(fā)生，但是只要制造商的要求和規(guī)范都嚴(yán)格遵守，這類故障只是偶然現(xiàn)象。對于鉭電容器，我通常會使用內(nèi)部帶保險絲的，如果電容器發(fā)生短路故障，保險絲就會燒斷而斷開電容器。我總是會增加額外的電容器，所以即使有一個電容器壞了，也不會引起很大的濾波損失。這些電容器要貴一些，但如果可靠性高，那也值了。

@ Brian park

“還有更糟糕的事，即電容器化學(xué)成分中存儲的能量！我有一個機(jī)器人，其音量指示器中有一個鉭“orange drop”10μF 20V旁路電容器，嵌在塑料機(jī)器人內(nèi)。事實證明，鉭是一種非常易燃的金屬，一旦著火，幾乎沒有任何辦法可以將其撲滅（“D”類火）。開機(jī)不到一秒鐘的時間，鉭電容就燒起來了，一英尺高的火焰持續(xù)了足足20秒！我很想弄清火是怎樣燒起來的，于是在一個類似的泡沫物體上進(jìn)行測試，想用液化氣來點燃這種火。不行！在拿走點火器后的1秒鐘內(nèi)，火就熄了。我掏出指示器面板，看到電容器的剩余部分（2根導(dǎo)線從燒焦的板上伸出）。這顆電容器直徑1/4英寸、長1/4英寸，火就是它引起的。該電容器已經(jīng)有20多年了，但在12V的偏壓下只用了大約1000個小時，并且還是在“室內(nèi)控制”的溫度下。PTC是否可以防止電流尖峰從而避免引起這種燃燒？（這個機(jī)器人在制造時還沒有PTC）。

我用點火器測試了這些“orange drop”，當(dāng)它們達(dá)到亮黃色時，溫度突然升高至白色，持續(xù)10~20秒。密封的150D軍用電容器的陽極也會點燃，但這通?？梢酝ㄟ^電解液沸騰、外殼破裂來防止，使溫度在達(dá)到燃點之前斷開連接。

@ salbayeng

“鉭的自燃有一個名字：場結(jié)晶（field crystallisation）。我曾有一個頻譜分析儀燒了（當(dāng)然是在開機(jī)的時候），整個屋子里“煙霧彌漫”。我費了好大力氣才找到燒了的電容器并把它換了（它是5v電壓軌上的幾個電容器之一，藏得很深了）。當(dāng)我從分析儀中拉出一個黃銅盒子時，聽到它發(fā)出嘎嘎的響聲，我擰下一百多顆螺釘，發(fā)現(xiàn)里面有大約十二個鉭電容器（可能這樣子已經(jīng)有好幾年了！）

@ Paul.Rako

“對于將鉭電容叫做“Orange Drop”，我確實不太理解，那是經(jīng)典的Sprague薄膜電容器的實際品牌名稱，在硅谷我們將鉭電容稱為“Lemon Drop”。的確許多測試設(shè)備都使用了鉭電容，似乎這些鉭電容用了15年左右的時間都爆炸了。至少它們不會像鋁電解電容一樣泄漏，鋁電解液會腐蝕板上的走線。

我在文章中漏了一件事，就是應(yīng)該放保險絲、斷路器或熔斷體（細(xì)線），為任何電解電容或鉭電容提供一條窄PCB走線。@Hooey講了大容值的陶瓷電容怎樣出現(xiàn)了短路故障，所以可以對所有大容值電容器使用保險。

@ cmq0

文章中也沒提及消費類設(shè)備中經(jīng)常使用的不符合標(biāo)準(zhǔn)的鋁電解電容。我修好了一些顯示器，替換其中的一些垃圾電容。我剛修好了一臺CyberPower UPS，一只松鼠碰到高壓電源線后，UPS就不能啟動了。CyberPower使用的是質(zhì)量垃圾透頂?shù)碾娙荩挥昧?年就出問題了。一共有42個電容，其中一半以上具有較高的ESR，有些超過100歐姆。在使用高質(zhì)量的電容更換所有電解電容之后——垃圾電容的價格和高質(zhì)量電容的價格差可能低于5美元——UPS又可以用了。

@ Brian park

文章中未提及的是鉭“干”電容器（例如常見的“Orange Drop”電容器）燒起來的危險。當(dāng)它們使用時間長了，發(fā)生短路，就會燃起來！鉭極度易燃，是“D類”火（即燃燒金屬，最嚴(yán)重的火災(zāi)）。我點燃了其中一個（高1/4英寸，直徑3/16英寸），產(chǎn)生了3英尺高的火焰，燒了整整30秒！

編輯：hfy