作者：首席应用工程师 Rick Wiens

　　介绍

      为什么要在简单的两端组件上花费如此大的精力?电压和电流额定值的组合当然是一个因素，但更微妙的原因是电容器并不是真的那么简单。我们用来表示它们的示意图符号是为了方便而省略的，和晦涩的细节，这些细节通常 a) 相当重要，b) 在学术界没有得到很好的对待。有些类型在失败或误用时往往会剧烈燃烧或释放有毒蒸气。其他类型的材料会随着废弃而减弱，并且可能会在其额定极限内的压力下失效。一些类型随着环境和应用程序变量表现出广泛的参数变化，而其他类型则或多或少地被遗忘。做出明智的设计选择需要了解和考虑这些不同的品质。该资源的目的是在一个易于吞咽的胶囊中为读者提供电容器技术指南，该胶囊具有(希望如此)不昏昏欲睡的配方。其他类型的材料会随着废弃而减弱，并且可能会在其额定极限内的压力下失效。一些类型随着环境和应用程序变量表现出广泛的参数变化，而其他类型则或多或少地被遗忘。做出明智的设计选择需要了解和考虑这些不同的品质。该资源的目的是在一个易于吞咽的胶囊中为读者提供电容器技术指南，该胶囊具有(希望如此)不昏昏欲睡的配方。其他类型的材料会随着废弃而减弱，并且可能会在其额定极限内的压力下失效。一些类型随着环境和应用程序变量表现出广泛的参数变化，而其他类型则或多或少地被遗忘。做出明智的设计选择需要了解和考虑这些不同的品质。该资源的目的是在一个易于吞咽的胶囊中为读者提供电容器技术指南，该胶囊具有(希望如此)不昏昏欲睡的配方。

　　什么是电容器?

　　电容器是以电场形式储存电能的装置。这个过程非常类似于机械弹簧以弹性材料变形的形式储存能量的方式，在某种程度上描述两者的数学非常相似，除了使用的变量。事实上，这种相似性可能是电气或机械工程专业的学生经常发现其他人的研究内容晦涩难懂的部分原因;“v”对电气工程师 (EE) 来说是“电压”，但对机械工程师 (ME) 来说是“速度”，机械工程师对弹簧的表示可能看起来更像是 EE 等的电感器。平行板电容器的概念是通常用作解释大多数实用电容器结构的起点。它由两个彼此平行放置并由绝缘体隔开的导电电极组成，绝缘体通常是几种聚合物、陶瓷材料、金属氧化物、空气或偶尔为真空中的一种。当极板之间的间距相对于它们的面积较小时，这种电容器的值，本质上是机械头脑的“弹簧常数”，由图 1 中的公式近似计算。然而，应该注意的是，按照惯例，机械弹簧常数和电容值是用倒数的尺寸表示的;机械弹簧常数通常表示为每单位位移的力(例如牛顿每米或磅力每英寸)，而电容值则表示为每单位力的位移，即库仑每伏特。陶瓷材料、金属氧化物、空气或偶尔真空。当极板之间的间距相对于它们的面积较小时，这种电容器的值，本质上是机械头脑的“弹簧常数”，由图 1 中的公式近似计算。然而，应该注意的是，按照惯例，机械弹簧常数和电容值是用倒数的尺寸表示的;机械弹簧常数通常表示为每单位位移的力(例如牛顿每米或磅力每英寸)，而电容值则表示为每单位力的位移，即库仑每伏特。陶瓷材料、金属氧化物、空气或偶尔真空。当极板之间的间距相对于它们的面积较小时，这种电容器的值，本质上是机械头脑的“弹簧常数”，由图 1 中的公式近似计算。然而，应该注意的是，按照惯例，机械弹簧常数和电容值是用倒数的尺寸表示的;机械弹簧常数通常表示为每单位位移的力(例如牛顿每米或磅力每英寸)，而电容值则表示为每单位力的位移，即库仑每伏特。当板之间的分离距离相对于它们的面积较小时，由图 1 中的公式近似计算。然而，应该注意的是，按照惯例，机械弹簧常数和电容值是用倒数的尺寸表示的;机械弹簧常数通常表示为每单位位移的力(例如牛顿每米或磅力每英寸)，而电容值则表示为每单位力的位移，即库仑每伏特。当板之间的分离距离相对于它们的面积较小时，由图 1 中的公式近似计算。然而，应该注意的是，按照惯例，机械弹簧常数和电容值是用倒数的尺寸表示的;机械弹簧常数通常表示为每单位位移的力(例如牛顿每米或磅力每英寸)，而电容值则表示为每单位力的位移，即库仑每伏特。

　　图 1：平行板电容模型。

　　实际上，盘子不需要是平的;卷起的、折叠的、弄皱的、堆叠的、切片的、切块的和切丝的几何形状也可以工作，尽管随着几何形状变得更复杂，所涉及的数学可能会变得相当混乱。那么，要想制作出更大值的电容器，可以采用面积较大的极板，减小间距(即介电材料的厚度)或提高材料的介电常数。搞乱 ε0 几乎需要创建另一个宇宙，这在政治领域之外是一件相当困难的事情。但是这个“介电常数”到底是什么东西?很好的问题;它本质上是材料的一种特性，描述了它们在施加电场的情况下通过多种机制中的任何一种而变得电极化的能力。这些机制可能处于原子水平，其中原子核周围的电子云被置换，导致原子在一侧带有轻微的正电荷，而在另一侧带有相应的负电荷。它也可以在分子水平上发生，由于电极分子的方向响应于施加的场而发生变化，或者通过弯曲和拉伸分子内原子之间的键，非常像机械弹簧中的材料弯曲或拉伸。如果原子情况下的电子不会“吹走”并与相邻的原子核重新结合，并且在分子情况下分子不会被电场力撕裂，则材料会起到绝缘体的作用;当施加电场时，它不支持持续的电荷流动，尽管由于原子周围电子的移动或分子的重新定向/扭曲，它确实有效地允许一些电荷在电场建立时流动。移除施加的电场可以让电介质中的电子恢复到它们所附着的原子核周围的正常分布，或者物质中的分子可以恢复到它们原来的随机方向或形状。在这样做的过程中，施加电场时流过电容器的大部分电荷返回电路，沿相反方向流动。材料的(相对)介电常数描述了材料促进这种临时电流流动的程度，相对于真空的程度。对于给定面积、间隔距离和施加的场强，允许与真空相同数量的电荷转移的材料的介电常数为 1。允许两倍于真空的电荷转移的材料的介电常数为 2，等等. 不同电容器类型的细微差别在很大程度上取决于所用电介质的特性和给定设备的构造方法。所有介电材料都有局限性，包括它们在给定材料厚度下可以承受的最大施加场、它们的介电常数、介电材料和电极中发生的损耗，以及流过或“泄漏”通过介电体的电流量当施加的电场恒定时。分离距离和施加的场强的介电常数为 1。允许两倍于真空的电荷转移的材料的介电常数为 2，等等。不同电容器类型的细微差别在很大程度上取决于特性所使用的电介质的类型以及构造给定设备的方法。所有介电材料都有局限性，包括它们在给定材料厚度下可以承受的最大施加场、它们的介电常数、介电材料和电极中发生的损耗，以及流过或“泄漏”通过介电体的电流量当施加的电场恒定时。分离距离和施加的场强的介电常数为 1。允许两倍于真空的电荷转移的材料的介电常数为 2，等等。不同电容器类型的细微差别在很大程度上取决于特性所使用的电介质的类型以及构造给定设备的方法。所有介电材料都有局限性，包括它们在给定材料厚度下可以承受的最大施加场、它们的介电常数、介电材料和电极中发生的损耗，以及流过或“泄漏”通过介电体的电流量当施加的电场恒定时。等。不同电容器类型的细微差别在很大程度上取决于所用电介质的特性和给定设备的构造方法。所有介电材料都有局限性，包括它们在给定材料厚度下可以承受的最大施加场、它们的介电常数、介电材料和电极中发生的损耗，以及流过或“泄漏”通过介电体的电流量当施加的电场恒定时。等。不同电容器类型的细微差别在很大程度上取决于所用电介质的特性和给定设备的构造方法。所有介电材料都有局限性，包括它们在给定材料厚度下可以承受的最大施加场、它们的介电常数、介电材料和电极中发生的损耗，以及流过或“泄漏”通过介电体的电流量当施加的电场恒定时。

　　电容器的非理想特性

　　对于许多用途，实际电容器可以使用相对简单的集总元件模型来表示，该模型由一个理想电容器和几个附加组件组成。

　　等效电阻率

　　等效串联电阻(用R esr表示在图 2 所示的模型中)描述了与通过电容器移动电荷相关的损耗。电极和引线材料的电阻是一个促成因素，介电材料本身发生的损耗也会发生并且通常是主要因素。ESR 与电容器选择的相关性是双重的：1) 它影响电容器的交流响应，以及 2) 由于热限制，它限制了允许流过电容器的交流电流量。电流流过电容器的 ESR 会导致 I2 R 损失，就像任何其他电阻器一样，导致电容器内的温度升高，从而导致设备寿命缩短。ESR 受器件类型和构造的影响，还不同程度地受温度和测试频率的影响。在许多情况下，电容器的 ESR 并未直接在数据表中给出，而是根据 Q、耗散因数 (DF) 或 Tan δ 等汇总数字进行传达。所有都是电容器的 ESR 和容抗 (XC ) 表达方式不同。Tan δ 和耗散因数计算为 ESR/X C并且本质上是相同的数字，但应该注意耗散因数通常表示为百分比，而不是简单的无量纲因数。Q 只是 Tan δ 或 X C /ESR的倒数。

　　图 2：一个典型的电容器符号与包含非理想特性的原理图形成对比，该原理图被建模为集总元件。

　　英语

　　等效串联电感来自器件引线的部分自感、由于器件引线在电路中的几何形状而形成的线圈等。在集总模型近似中，ESL 由理想电感器 (L esl ) 表示，如下所示与理想电容器串联(C标称) 表示设备的标称电容值。ESL 与电容器选择的相关性主要是它对交流响应的影响。正如集总模型所暗示的那样，现实世界中的电容器表现得像串联连接的 LCR 电路。随着施加的交流电压频率的增加，ESL 的感抗增加到一个点，在该点它等于设备的容抗，并且电容器表现为电阻器。在高于该点的频率下，电容器实际上是一个电感器。

　　泄漏

　　泄漏被建模为与集总模型中的理想电容器并联的相对较大值的电阻器。这是因为电容器中使用的介电材料不是完美的绝缘体，并且在施加恒定电压时允许一定量的直流电流通过电容器。泄漏与电容器选择的相关性取决于应用;它可能是微功率应用中的功耗问题、精密模拟应用中的误差源或电源应用中的可靠性/热管理问题。

　　极化

　　极化是大多数电解电容器的非理想特性，它依赖于通过电化学作用形成的电介质。向这种极性不正确的电容器施加电压会导致用于创建电容器介电层的电化学过程发生逆转。这种电化学破坏介电层的过程会导致高于规定的泄漏电流，随着变薄的介电层在施加电压的压力下开始击穿而加剧。由于泄漏电流会导致内部发热，而温度升高会导致泄漏电流增加，因此会发生级联效应，当(错误)施加电压的源阻抗较低时，会导致相当严重的灾难性故障。

　　介电吸收

　　电介质吸收，也称为“渗透”，是指电容器电介质中的能量存储，其吸收和释放的时间比器件的标称电容和 ESR 预测的时间更长。在集总元件模型中，它可以表示为与设备的标称电容并联的电阻器和电容器(或其多个实例)的串联连接。实际上，这意味着电容器在 DC 电势下保持一段时间然后短暂放电似乎会在某种程度上自行充电。在不同的示例中，在放电曲线的快速变化部分，通过保持在直流电势一段时间的电容器的电阻器的放电将通过通常的指数方程很好地建模。然而，在曲线的“长尾”部分，电容器将提供比通常的 RC 放电方程预测的电流更高的电流。这种现象在精密模拟电路中可能会产生问题，但在高压、高电容设备(例如许多功率因数校正或直流总线滤波应用中使用的设备)的情况下会造成潜在的致命安全隐患。目前和历史上用于此类应用的许多类型的电容器都是最容易通过介电吸收来储存能量的电容器，其中一些能够“自充电”到可能是之前施加电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害(烧伤或心脏骤停是两种可能性)或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。这种现象在精密模拟电路中可能会产生问题，但在高压、高电容设备(例如许多功率因数校正或直流总线滤波应用中使用的设备)的情况下会造成潜在的致命安全隐患。目前和历史上用于此类应用的许多类型的电容器都是最容易通过介电吸收来储存能量的电容器，其中一些能够“自充电”到可能是之前施加电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害(烧伤或心脏骤停是两种可能性)或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。这种现象在精密模拟电路中可能会产生问题，但在高压、高电容设备(例如许多功率因数校正或直流总线滤波应用中使用的设备)的情况下会造成潜在的致命安全隐患。目前和历史上用于此类应用的许多类型的电容器都是最容易通过介电吸收来储存能量的电容器，其中一些能够“自充电”到可能是之前施加电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害(烧伤或心脏骤停是两种可能性)或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。高电容设备，例如许多功率因数校正或直流总线滤波应用中使用的设备。目前和历史上用于此类应用的许多类型的电容器都是最容易通过介电吸收来储存能量的电容器，其中一些能够“自充电”到可能是之前施加电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害(烧伤或心脏骤停是两种可能性)或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。高电容设备，例如许多功率因数校正或直流总线滤波应用中使用的设备。目前和历史上用于此类应用的许多类型的电容器都是最容易通过介电吸收来储存能量的电容器，其中一些能够“自充电”到可能是之前施加电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害(烧伤或心脏骤停是两种可能性)或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。有些能够“自充电”到之前施加电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害(烧伤或心脏骤停是两种可能性)或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。有些能够“自充电”到之前施加电压的五分之一。对于较大的设备，由于此过程而出现在端子上的能量和电压可能足以直接造成伤害(烧伤或心脏骤停是两种可能性)或由于对电击的无意识反应而间接造成伤害。

　　____ 对 ____ 的依赖

　　在第一个空白处，插入任何感兴趣的设备参数;电容、ESR、ESL、泄漏、寿命等。在第二个插入大多数应用参数;温度、电压、频率、时间等。两者之间存在关系，取决于设备类型和结构。有些关系不是特别牢固，通常可以忽略不计，而另一些则比 800 磅重的大猩猩更强大，更不可忽略。因此，在选择设备时应考虑此类关系的存在和相关性。

　　老化

　　一些电容器类型表现出其特性的显着变化，这些变化在时间尺度上发生的时间比大多数感兴趣的电信号长得多，就像 Krispy Kreme® 甜甜圈离开油炸锅后特性随时间变化的方式。这可能会带来设计、制造或校准方面的问题;例如，刚从回流焊炉中取出时测试正常的设备可能在一周后不符合规格。

　　麦克风/压电效应

　　回想一下，两个平行板之间的电容方程是电极间距/电介质厚度的强函数;如果板之间的距离发生变化(例如通过施加机械力)，电容也会发生变化。如果电容发生变化但存储的电荷量保持不变，则电容器端子两端的电压变化与电容变化成反比。结果是电容器提供了机械和电气领域之间的转换机制，通常称为麦克风效应，因为它与舞台表演、便携式电子设备等中使用的那种音频麦克风相似/应用。这种效果对这些非常有用应用程序，但当它导致机械信号意外耦合到电路中，成为噪声源或更糟糕的是，意外的反馈路径时，也会出现问题。转导机制也是双向的;在电容器的端子上施加电压会导致机械力施加到电极上，这些机械力又可以机械耦合到周围环境中，例如作为可闻噪声。尽管由于静电力(“静电吸附”背后的现象)而存在于所有电容器中，但它在包含压电介电材料的设备中最为明显。此类材料会响应机械应变而产生电荷，并且在另一个方向上，在受到电场时会发生机械变形。

　　图 3：突出显示电容器用作音频/机械换能器的能力的插图。

　　电容器的失效机制

　　电容器(像所有其他人类发明一样)最终会失败，无论是参数化还是灾难性的。参数故障是指设备继续运行但已缓慢降级到不再满足性能规格的程度。另一方面，灾难性故障的特点是设备特性突然发生剧烈变化，导致不合规格的行为，其中可能包括自拆卸、燃烧、白炽等。

　　介电击穿

　　电介质击穿失效是一种电气条件，其中电介质材料的绝缘特性无法将泄漏电流保持在指定水平以下。通常由于施加超过设备额定限值的电压或在指定的热限值之外运行，介电击穿导致的故障往往是自加重的低阻抗(短路)故障。因此，它们通常很壮观，尽管某些类型的电容器能够从容地承受轻微的电介质击穿事件。由于电介质击穿和热故障既可以是原因也可以是结果，因此有时很难将故障事件归类为其中之一。

　　热的

　　热故障是由于设备温度过高而发生的故障。在温度过高导致介质击穿事件的情况下，它们通常是短路故障。热故障也可以被认为是一种长期现象，即在高温下长时间运行会导致设备参数变化超出允许的限度。

　　机械的

　　机械故障是指设备的物理损坏是故障的直接原因，并且可能表现为参数超出规格、短路或开路。陶瓷电容器经常遇到的机械故障通常是在制造和组装过程中引起的，但也可能由于滥用或机械设计不当而在现场发生。

　　常见的通用电容规格有哪些

　　额定电压

　　电容器的额定电压表示应施加到设备的最大电压。评级的背景很重要;在某些情况下，它可能表示最大安全工作电压，在其他情况下，它可能更类似于半导体的“绝对最大”额定值，应对其应用适当的降额系数。

　　宽容

　　电容器的公差描述了器件在指定测试条件下(尤其是交流测试电压和频率)下应表现出的与标称电容值的偏差极限。引用的公差数字包括由于制造中的可变性而与标称值的稳态偏差，并且可能(在极少数情况下)还包括在规定的工作温度范围内由温度引起的电容值变化。应该注意的是，测试条件(温度、频率、振幅和测试电压的直流偏置值等)通常对观察到的器件参数有很大影响。

　　安全等级

　　设计用于故障可能对人身或财产安全造成风险的电容器(通常涉及交流线路电压)指定字母数字安全等级，例如 X1、X2、Y1、Y2 等，根据监管标准。 “X”级设备经过认证，适用于故障预计不会造成电击危险的应用，例如“线到线”应用，而“Y”级设备经过认证，适用于故障会造成电击危险的应用，例如“线到地”的应用。名称中的数字表示对浪涌电压的耐受水平，如 IEC 60384-14 等适用监管标准中所规定。设备还可能带有多个安全等级，表明它们在不同情况下使用的认证;例如，具有 X1Y2 安全等级的电容器可用于需要 X1 等级以及需要 Y2 等级的应用。

　　电介质/电极型

　　电容器的区别在于其结构中使用的材料，在某种程度上还在于其操作机制。“陶瓷”电容器例如使用陶瓷材料作为电介质;“铝电解”电容器是使用铝电极和电解质溶液等形成的。在一般电容器类型中，特别是在陶瓷电容器类型中，通常会对介电特性(以及因此的器件性能特性)进行进一步规范。需要注意的一个常见区别是电解电容器和非电解电容器类型之间的区别。电解电容器使用电化学就地形成的介电材料，通常通过氧化电极材料的表面，而非电解(通常称为“静电”电容器)使用的介电材料通常是通过各种机械过程形成的，而不是电极材料本身的化学衍生物。这种区别是有用的，因为这两种设备类别本身具有共同的一般特征，允许人们简单地通过识别它是否是电解类型来粗略预测给定设备的质量和应用适用性。一般而言，电解电容器单位体积的电容量高，有极化，成本低，损耗高，参数稳定性差。相比之下，非电解设备类型的额定值往往体积庞大，是非极性的，相对昂贵，低损耗，并且除了少数值得注意的例外，表现出一般到出色的参数稳定性。这种区别是有用的，因为这两种设备类别本身具有共同的一般特征，允许人们通过识别它是否是电解类型来粗略预测给定设备的质量和应用适用性。一般而言，电解电容器单位体积的电容量高，有极化，成本低，损耗高，参数稳定性差。相比之下，非电解设备类型的额定值往往体积庞大，是非极性的，相对昂贵，低损耗，并且除了少数值得注意的例外，表现出一般到出色的参数稳定性。这种区别是有用的，因为这两种设备类别本身具有共同的一般特征，允许人们通过识别它是否是电解类型来粗略预测给定设备的质量和应用适用性。一般而言，电解电容器单位体积的电容量高，有极化，成本低，损耗高，参数稳定性差。相比之下，非电解设备类型的额定值往往体积庞大，是非极性的，相对昂贵，低损耗，并且除了少数值得注意的例外，表现出一般到出色的参数稳定性。一般而言，电解电容器单位体积的电容量高，有极化，成本低，损耗高，参数稳定性差。相比之下，非电解设备类型的额定值往往体积庞大，是非极性的，相对昂贵，低损耗，并且除了少数值得注意的例外，表现出一般到出色的参数稳定性。一般而言，电解电容器单位体积的电容量高，有极化，成本低，损耗高，参数稳定性差。相比之下，非电解设备类型的额定值往往体积庞大，是非极性的，相对昂贵，低损耗，并且除了少数值得注意的例外，表现出一般到出色的参数稳定性。

　　工作温度范围

　　电容器的(工作)温度范围表示设备合格使用的温度范围。当单独指定时，存储温度范围是在非活动状态下存储不会对设备造成损坏或在正常温度范围内运行时导致不可逆参数变化的温度范围。对于未组装的设备，可能会制定有关存储的进一步(更严格的)环境规范，以确保铅饰面材料不会降解到会妨碍正确组装的程度。与大多数其他合格参数不同，在设备指定的温度范围之外(特别是在较低温度下)操作通常是可能的，前提是已做出规定以考虑由此产生的参数变化，并且温度偏移不会对设备造成机械损坏。由于存在与温度相关的磨损和故障机制，在高于设备额定极限的温度下运行更加危险，但在设备寿命不是重要问题的情况下通常是可能的。然而，这种不合规范的操作由设计人员承担风险，并且需要在设备鉴定中给予应有的注意。

　　纹波电流额定值

　　电容器的纹波电流额定值表示应允许通过电容器的最大交流电流。由于流过电容器的电流会由于欧姆和介电损耗而导致自热，因此给定设备可以承受的电流量是有限的，并且会受到环境条件的影响。

　　寿命

　　许多电容器，尤其是铝电容器，具有很强的磨损机制，限制了它们的使用寿命。寿命规格是指设备在特定操作条件下的预期使用寿命。请注意，使用寿命的定义可能有所不同;一个常见的定义是在指定条件(通常接近额定最大值)下的服务时长，在该条件下，预计 50% 的现场设备会发生故障。有些规范更严格，有些可能更宽松。

　　军用、高可靠性、既定可靠性

　　对于不能容忍设备故障的应用，可以使用根据定义的协议生产和测试的电容器，以提供设备可靠性的统计保证。特别敏感的应用程序通常要求通过记录的渠道采购组件，这允许通过生产过程追溯给定组件的来源，以确保设备完整性并在发生故障时促进根本原因分析。在撰写本文时，MIL-HDBK-217F 通知 2 是使用最广泛的电子设备可靠性预测指南，尽管 Telcordia 制定的程序也得到广泛使用，尤其是在电信行业。

　　封装和安装类型

　　与大多数电子元件一样，电容器有多种封装和安装类型。器件特性和常见应用限制会影响可用选项，其中可能包括表面贴装器件、轴向和径向引线通孔类型以及底盘安装类型。

　　什么是铝电容器?

　　铝电容器是属于“电解”电容器的一系列设备。因此，它们以相对较低的成本在小型封装中提供高电容值。为了换取这些理想的品质，它们的电气性能和使用寿命往往相对较差。尽管除了最野蛮的信号相关应用外，铝电容器不适合所有应用，但铝电容器是直流电源相关功能的主要产品。提供三种不同的类型;标准铝电解电容器，该主题的双极变体，以及包含导电聚合物电极的新型电容器。将该系列称为“铝电容器”而不是“铝电解电容器”是对后一种不包含传统液体电解质的设备类型的提示。

　　图 4：不同封装样式的铝电容器。LR、表面贴装、通孔和底盘贴装。(不按比例)

　　装置构造

　　标准的铝电解电容器由两片高纯度铝箔组成，由间隔材料(例如用电解质溶液浸透的纸)交错和分隔。这些箔片通常在微观水平上被蚀刻，将其有效表面积增加多达数百倍，如果箔片保持光滑。在其中一个箔片(在标准铝电解电容器中)上形成一层氧化铝，通过含氧电解质溶液向箔片施加电压，用作电容器的介电材料。这样做会导致电解液中的氧气与铝箔表面结合，形成氧化层，其厚度与形成过程中施加的电压成正比，并由要生产的电容器的预期工作电压确定。通常，该氧化层的厚度约为 1 微米或 0.00004 英寸。下面的未氧化金属形成铝电解电容器的电极之一。另一个电极不是第二张箔，而是电解质溶液。在标准铝电解电容器中，第二层箔片没有特意形成的氧化层，只是用于与电解质进行电接触，因为很难将液体焊接到电路板上......在双极电容器中，氧化层形成在两个铝板上，从而形成一个实际上是两个反向串联连接的电容器的装置。因为电解质是液体(铝聚合物电容器除外，如果它是导电聚合物材料)，它能够符合蚀刻和氧化箔片的微观结构，从而在电容器的两个电极之间形成大面积。由于介电材料(氧化铝)非常薄，因此最终结果是具有高值的电容器;根据基本电容器方程，电容的增加与电极面积成正比，与电极分离距离/电介质厚度成反比。将导线连接到箔片上，将组件缠绕、折叠或以其他方式成型以装入容器(通常也由铝制成)中，然后使用橡胶密封塞密封组件。由于故障条件会导致内部压力升高，因此大多数铝电容器还包括以相对安全的方式排放此类压力的措施。专用机构通常用于大型设备中的此目的，而较小的设备通过仔细设计橡胶密封塞和/或容器刻痕来实现保护性排气功能，以便在内部压力过大时以相对受控的方式破裂. 包括标准、双极和聚合物类型。

　　可用电容和电压范围

　　图 5：在撰写本文时 Digi-Key 提供的铝电容器的电压/电容额定值范围示意图。

　　应用优势和劣势

　　铝电容器的主要优势在于它们能够以较小的封装提供较大的电容值，而且成本相对较低。此外，它们往往具有良好的自我修复特性;当氧化铝介电层中出现局部薄弱点时，流过介电层薄弱点的漏电流增加会引起类似于介电层初始形成过程中使用的化学反应，从而导致介电层变厚薄弱点，以及随之而来的泄漏电流的减少。铝电容器的缺点主要与 (a) 结构中所用材料的化学反应性质，(b) 电解质溶液的导电性能，以及 (c) 液体电解质的挥发性有关。铝电容器所用材料的化学反应性质在两点上存在问题;介电层的稳定性和设备的长期机械完整性。由于这些器件中的氧化铝介电层是通过电化学过程形成的，因此它也可以通过简单地通过反转施加的电压而被电化学过程腐蚀。这就是为什么大多数铝电容器都是极化的。施加错误极性的电压会导致电介质快速腐蚀和变薄，从而导致高漏电流和内部过热。从机械完整性的角度来看，将高活性金属(铝)与腐蚀性电解质溶液混合是一个微妙的提议;电解质成分的错误会导致过早失效，正如 2000 年代初的“电容器瘟疫”所证明的那样。铝电解电容器的另一个缺点是所使用的电解质不是特别有效的导体，因为电解质溶液中的传导是通过离子而非电子传导实现的。不是松散的电子在充当电荷载体的原子之间移动，而是离子(由于电子过剩或不足而带有电荷的原子或小组)在整个溶液中移动。由于离子比电子体积大，因此它们不容易移动，因此离子传导通常比电子传导具有更高的电阻。这种情况的程度受温度的显着影响;温度越低，电解质溶液中的离子越难在溶液中移动，这转化为更高的电阻。因此，电解电容器往往具有相对较高的 ESR，与温度呈强烈的反相关性。铝电容器的第三个主要缺点(固体聚合物类型除外)是液体电解质溶液会随着时间的推移蒸发，最终通过橡胶密封塞扩散到大气中，安全通风结构泄漏，或类似的现象。

　　常见用途和应用

　　当交流性能和参数随时间的稳定性不是特别重要时，铝电容器主要用于需要相对大值、低成本电容器的直流电源应用。此类应用包括电源应用中整流交流线路电压的批量滤波和低频开关电源中的输出滤波等。由于其相对较高的 ESR 与其较大的标称电容串联形成的时间常数，铝电容器作为当纹波频率接近 100 kHz 时，类别往往会很快失去吸引力。尽管设备优化差异很大，并且任何给定设备的有用频率限制可能低至几 kHz 到 1MHz。

　　常见故障机制/关键设计注意事项

　　电解质流失

　　大多数铝电容器中的液体电解质会随着时间的推移而蒸发，导致 ESR 增加和电容减小。这是一种磨损机制，通常是铝电解电容器使用寿命的限制因素。时钟在设备制造后立即启动并且不会停止，尽管应用和存储条件会影响指针移动的速率。温度是决定电解质损失速率的主要因素，阿伦尼乌斯方程对此进行了很好的描述，该方程粗略预测温度每变化 10°C，过程速率将发生两倍的变化。换句话说，在所有其他因素相同的情况下，将电解电容器的温度降低 10°C 可使其预期使用寿命大致翻倍。电解质损失也受大气压力的影响，较低的压力导致电解质损失加速。极端低压环境可能会导致并非为此类环境设计的设备发生外壳破裂或安全通风口打开，导致故障比在较高环境压力下发生的故障要早得多。当根据 Arrhenius 关系和制造商规定的寿命规格估算电容器寿命时，必须考虑纹波电流引起的自热;电容器的内部温度是感兴趣的量，而不仅仅是应用的环境温度。对于高海拔或低压操作，请咨询制造商的规格，因为规定的使用寿命需要降额，在环境压力下降至零，在该环境压力下，电解质的蒸汽压力与外部环境压力之间的差异将导致电容器的安全通风口打开。请注意，蒸气压通常随温度升高而增加，从而导致在工作温度和最大允许工作高度之间进行权衡。

　　电解液故障

　　不正确的电解质配方会导致铝电容器内部组件快速腐蚀和/或气体压力升高，从而导致过早失效。据报道，这种机制是造成 2000 年代初期许多消费电子设备中铝电解电容器普遍过早失效的原因。除了独立测试和评估之外，避免此问题(已证明对许多公司而言成本极高)的最佳方法是仅从信誉良好的制造商处直接或通过制造商授权的经销商购买产品。从有问题的来源购买廉价电子元件很像凌晨 2 点在城镇贫民区的街角从陌生人那里购买装在塑料袋里的药品……不要这样做。

　　电压过载

　　当施加在铝电解电容器上的电压超过规定限值时，通过氧化铝介电层的漏电流会迅速增加，从介电材料内的局部“薄”点开始。漏电流的增加导致设备内的局部加热增加。如果不限制漏电流，增加的局部加热会导致介电层进一步损坏，从而导致介电材料的级联故障和电容器的破坏。

　　电流过载

　　铝电解电容器通常具有相对较大的 ESR 值，这主要是由于电解质溶液的电阻率。流过该电阻的交流电流会导致欧姆加热，从而导致电解质流失并增加电介质击穿事件的风险。应该注意的是，铝电解电容器的表观电容与频率有关。因此，应根据应用中存在的纹波频率来解释制造商提供的纹波电流规格。铝电解电容器的最大纹波电流值通常在 120Hz 和 100kHz 时引用，因此在选择设备时不仅要注意引用的纹波电流值，还要注意引用该值的测试频率。

　　老化引起的电压过应力

　　由于电介质形成过程的电化学性质，在零施加电压下长时间储存会导致氧化铝电介质层退化。随着电介质减弱，即使施加的电压可能在器件的额定限值内，也会出现电压过应力情况。在轻微的情况下，唯一的症状可能是漏电流增加和设备温度升高一段时间，直到设备自我修复。在严重退化的电介质上通过低源阻抗施加最大额定电压的严重情况下，设备可能会发生短路故障并以惊人的方式破裂。虽然已经并将继续开发解决该问题的电解质配方，但不同产品的储存稳定性差异很大，有些电池在放电状态下仅储存 1 至 3 年后就会发生可测量的退化。在设计可能长时间处于休眠状态的应用程序时，建议对设备进行适度的电压降额，以提高针对这种影响的安全裕度。还建议使用专门设计用于防止存储退化的产品。在维修/重新调试的情况下，对萎缩的铝电解电容器通常规定的处理方法是在 4-8 小时内逐渐施加系统电压。这样做之前，请确认设备不会因在低于规格的电源电压下长时间运行而损坏。在设计可能长时间处于休眠状态的应用程序时，建议对设备进行适度的电压降额，以提高针对这种影响的安全裕度。还建议使用专门设计用于防止存储退化的产品。在维修/重新调试的情况下，对萎缩的铝电解电容器通常规定的处理方法是在 4-8 小时内逐渐施加系统电压。这样做之前，请确认设备不会因在低于规格的电源电压下长时间运行而损坏。在设计可能长时间处于休眠状态的应用程序时，建议对设备进行适度的电压降额，以提高针对这种影响的安全裕度。还建议使用专门设计用于防止存储退化的产品。在维修/重新调试的情况下，对萎缩的铝电解电容器通常规定的处理方法是在 4-8 小时内逐渐施加系统电压。这样做之前，请确认设备不会因在低于规格的电源电压下长时间运行而损坏。还建议使用专门设计用于防止存储退化的产品。在维修/重新调试的情况下，对萎缩的铝电解电容器通常规定的处理方法是在 4-8 小时内逐渐施加系统电压。这样做之前，请确认设备不会因在低于规格的电源电压下长时间运行而损坏。还建议使用专门设计用于防止存储退化的产品。在维修/重新调试的情况下，对萎缩的铝电解电容器通常规定的处理方法是在 4-8 小时内逐渐施加系统电压。这样做之前，请确认设备不会因在低于规格的电源电压下长时间运行而损坏。

　　设备特性、选项和目标应用

　　声音的

　　用于音频应用的铝电解电容器通常是低 ESR 类型，其结构中的设计折衷可能会偏向于电气性能和参数稳定性，但会牺牲尺寸和成本等因素。然而，应该指出的是，音频领域充斥着主观主义和旨在将傻瓜从他们的钱中分离出来的营销，并且这种影响甚至渗透到组件级别。如果电容A的标签更漂亮，价格是电容B的十倍，那么显然电容A更好，对吧?不必要。检查规格，了解哪些对手头的应用很重要，然后选择最能满足应用要求的设备。除非你正在制造一些东西来卖给那些愿意在“定向”扬声器电缆上花费数百或数千美元的人。在这种情况下，选择任何能为您提供最物有所值的东西……

　　汽车

　　以汽车应用为重点的设备通常设计为具有较长的使用寿命，并且可以在扩展的温度范围内运行，至少扩展到 105°C。大多数都符合 AEC(汽车电子委员会)标准。

　　双极

　　双极电解电容器旨在通过在标准铝电解电容器中使用的两个铝箔片上形成氧化膜，而不是仅在一个铝箔片上形成氧化膜，从而在施加改变极性的电压时无损坏地运行。由于此类设备的高 ESR，它们通常被认为不适合在连续施加交流电压的情况下运行，因此有时被称为“无极性直流电容器”以强调这一点。它们的使用通常仅限于直流应用，在这些应用中，要施加的极性不确定，可能偶尔会在瞬态基础上反转，或者流过设备的电流可以限制在不会导致过度自热的值。

　　一般用途

　　“通用”是对未明确设计用于解决特定应用类别且在其结构中没有主要区别特征的设备的统称。

　　高温回流焊

　　指定为“高温回流”类型的设备设计并符合在制造过程中遇到较高工艺温度的应用的要求，这在无铅/符合 RoHS 标准的回流焊接操作中很常见。

　　电机运转

　　具有此名称的铝电解电容器专为连续工作、高纹波应用而设计，例如变速电机驱动和逆变器应用。

　　电机启动

　　具有此名称的铝电解电容器通常设计用于交流电机启动应用。通常它们是双极的，额定电压为数百伏，并且具有几十到几千 uF 之间的值。

　　聚合物

　　该名称与使用固体导电聚合物而不是液体电解质作为电解质材料的铝电解电容器有关。通常，与同类液体电解质设备相比，它们在高温下表现出更好的稳定性、更低的 ESR 和更长的使用寿命，尽管可用性受限于相对较低的电容和电压额定值，并且给定电容和电压额定值的设备成本明显高于类似的液体电解质类型。

　　不锈钢外壳

　　具有此名称的设备设计有坚固的不锈钢外壳，能够承受电容器内外之间高于典型的压差。这允许在比大多数其他设备更低的大气压力下运行，并且由于能够减少电解质损失而允许更长的预期使用寿命。通常，这些设备也相当昂贵。

　　什么是陶瓷电容?

　　陶瓷电容器是静电设备，其特点是使用各种陶瓷介电材料，这些材料通常基于钛酸钡 (BaTiO 3 )。它们是非极化的，具有涵盖大部分数量-质量范围的特征，可能略微偏向质量。结构和介电特性的许多变化可用于满足不同的应用需求，这种广泛的适用性和相对较低的成本结构使陶瓷电容器成为当前使用的最流行的电容器类型，以销售的设备数量计算。

　　装置构造

　　图 6：左：多层陶瓷片式电容器 (MLCC);右图：通孔圆盘电容器。

　　早期的设备构造为两个金属电极之间的单层陶瓷介电材料(通常为圆形)。引线固定在金属电极上，组件封装在绝缘材料中，通常是陶瓷或环氧树脂。虽然这种结构类型仍然存在于用于交流线路或高压应用的设备中，但很少有基于这种结构方法的设备适用于表面安装，这限制了它们在许多应用中的吸引力。如今更为常见的是多层陶瓷片式电容器 (MLCC)，它们使用交替、交错的电极和介电材料薄层，以在较小的总封装体积内实现较大的电极表面积。这种设备是通过挤压未烧制的陶瓷“粘土”薄片制成的，在粘土上通过类似于丝网印刷的工艺沉积细碎形式的电极材料。许多这样的“片”被堆叠并压在一起以形成所需数量的电极层，切割成单独的电容器，并在高温烘箱中烧制以硬化陶瓷介电材料并熔化电极金属中的颗粒。然后进行端接，通过最终检查的设备将被打包发货。并在高温烘箱中烧制，使陶瓷介电材料硬化并熔合电极金属中的颗粒。然后进行端接，通过最终检查的设备将被打包发货。并在高温烘箱中烧制，使陶瓷介电材料硬化并熔合电极金属中的颗粒。然后进行端接，通过最终检查的设备将被打包发货。

　　图 7：简化的 MLCC 生产过程。(来源：维基共享资源)

　　可用电容和电压范围：

　　图 8：在撰写本文时 Digi-Key 提供的陶瓷电容器电压/电容组合范围示意图。

　　应用优势和劣势

　　陶瓷电容器(尤其是 MLCC)因其多功能性、经济性、耐用性和普遍良好的电气特性而受到广泛青睐。在它们的应用领域重叠的地方，陶瓷电容器通常相对于用于大功率处理的其他类型(铝、钽等)具有有利的特性，而相对于薄膜或其他使用的具有最大稳定性和精度的类型，陶瓷电容器的特性稍差必需的。陶瓷电容器的多功能性反映在可用值的范围内，如图 8 所示，其电容值跨越约 9 个数量级，电压值跨越 4 个数量级;跨越如此广度的技术并不多。在大多数情况下，陶瓷电容器结构中使用的原材料并不是特别昂贵并且得到有效利用，虽然需要高度的精度和过程控制，但基本的制造过程并不复杂。总之，这些属性使 MLCC 每年可以生产数十亿个，通常单位成本不到一美分。从应用程序的角度来看，它们非常适合长期存在的应用程序;它们本质上是一层耐用材料(金属和陶瓷)，没有很强的磨损机制，没有对温度、压力或电压反转的严重脆弱性，也没有电解设备经常遇到的泄漏、燃烧或毒性风险。由于它们不像电解装置那样依赖于相对高电阻的电解质溶液来运行，因此陶瓷电容器的 ESR 往往很低，并且它们的内部几何形状(和短引线长度，在 MLCC 的情况下)使电路板布局在许多情况下成为 ESL 的主要贡献者。陶瓷电容器的应用弱点包括机械脆弱性、缺乏自愈能力、高电容值的成本以及参数对环境和电气操作条件的不同程度依赖性，具体取决于陶瓷介电材料的具体配方。与大多数陶瓷物体一样，陶瓷电容器非常脆且不灵活。因此，它们很容易因机械应力或热冲击而损坏，因此需要在最终产品的组装和服务过程中小心缓解这些因素。陶瓷电容器相对惰性的“钢石”结构的缺点是不存在自愈机制。导致电介质击穿的应力往往会对设备造成无法恢复的损坏，因此必须建立实质性安全因素作为额外的电介质厚度，因为电介质中的薄弱点在生产过程中不容易“烧掉”。这导致陶瓷电容器的每法拉成本相对较高(与电解类型相比)，并且随着设备尺寸的增加机械损坏的风险增加，导致值超过几十微法的陶瓷电容器的吸引力/可用性降低。最后，许多陶瓷电介质配方在参数上不稳定或与温度和介电应力呈线性关系，通常与其介电常数成正比。最后，

　　重要的设计考虑

　　温度特性和介电分类

　　许多陶瓷介电材料被广泛使用，并且在体积效率、温度依赖性、损耗特性和其他非理想行为方面差异很大。不同的设备根据其温度特性进行分类，EIA(电子工业协会)和 IEC(国际电工委员会)以及美国军方和其他标准机构多年来建立了不同的分界线和识别系统。这些系统的共同点是电容质量和数量之间的区别;用于精密模拟和谐振电路应用的低损耗/高稳定性/温度线性类型与以较差的稳定性和线性度为代价提供高单位体积电容的类型不同。IEC 标准将针对电容质量和电容数量设计的电介质分别指定为 1 类和 2 类。与 IEC 标准一样，EIA 标准将以质量为中心的电介质指定为 I 类(罗马数字，并不总是使用)，尽管它将 IEC 2 类设备细分为 EIA II 类和 III 类。EIA II 类设备是那些在温度参数稳定性方面保持一定程度的设备(+/- 15% 或在规定范围内更好，通常为 -50°C 至 85°C 或更高)，而 EIA III 类设备为了追求体积效率，电介质放弃了所有温度稳定性的伪装，在更窄的温度范围内具有更宽的参数变化;+10° 至 +85°C 范围内的 +22%/-56% 或 -30°C 至 +85°C 范围内的 +22%/-82% 是常见的 III 类限制。图 9 以图形方式说明了该现象，

　　图 9：几种不同介电类别的陶瓷电容器的典型电容变化与温度的函数关系。(来源数据：AVX 表面贴装陶瓷电容器产品目录，v13.10)

　　每个通用电介质类别都有各种电介质配方，在 1 类电介质的情况下按电容温度系数分类，在其他设备类别中按指定温度范围内电容变化的限制进行分类。图 9A 的表格中显示了一些分类方案的“秘密解码器环”。采用 IEC 1 类(EIA I 类)电介质的 MLCC 设计具有受控的指定电容温度系数;这些设备的电容是温度的线性函数。EIA I 类设备的介电分类表明了该线的斜率和所述斜率的公差。相比之下，II 类和 III 类陶瓷的介电分类指示两个量的外部边界：1) 作为温度函数的电容变化，以相对于标准温度(通常为 25°C)下值的百分比表示，以及 2) 边界适用的温度范围。这些限制内的温度特性斜率没有任何暗示;大多数甚至不是单调的，更不用说线性了。

　　图 9A：表格显示了 EIA 和美国军方分类方案下不同指示符表示的行为限制。

　　关于 IEC 2 类(EIA II/III 类)电介质的分类，应进行两项重要观察：

　　它们表示电容变化仅作为温度的函数。其他影响未包括在 ∆C 数字中，这些影响可能很重要。(参见电容电压系数部分)

　　它们不是介电配方的绝对规定，只是一种仅根据温度行为对设备进行分组的方法。不同的部件号(特别是那些具有不同封装尺寸的部件)在给定应用中可能表现不同，即使它们具有相同的值、公差、额定电压和介电分类。

　　公差规格

　　陶瓷电容器的制造公差和温度行为规范之间的区别很容易被误解，这可能是由于数字的大小经常相似，以百分比表示的常见做法以及不完善的语言规则。准确地说，陶瓷电容器的“公差”规格表示在标准测试条件下由于制造差异而导致的器件值的允许变化。它通常指定为标称值的百分比，指的是在标准化测试条件下具有相同部件号的不同设备之间相对于标称值的变化。换句话说，它衡量的是从生产线上下来的零件的均匀性。相比之下，陶瓷电容器的“温度特性”表示任何给定设备的电容在该设备规定的工作温度范围内随温度变化的程度。术语“温度系数”最好保留给使用 I 类电介质的设备，它们或多或少具有线性温度依赖性，而术语“温度特性”更适合使用 EIA II 类和 III 类电介质的电容器，它们表现出明显的非线性电容随温度的变化。

　　图 10：Vishay BC Components D471K20Y5PH6UJ5R 陶瓷电容器的容差与温度。

　　例如，部件号BC5214CT-ND是一种陶瓷圆片电容器，指定为具有 470 pF 标称电容、+/-10% 容差和 Y5V 温度特性。在指定的测试条件下测量，具有此 P/N 的器件应表现出 423 pF 和 517 pF 之间的电容;这是器件容差，表示图 10 左侧图中红线上的某个点应描述具有此部件号的器件。然而，Y5V 温度特性表明，在 -30°C 和 +85°C 之间的温度下测量时，器件电容相对于标准测试条件下的值可能会额外变化 +22%/-82%。换句话说，只要其电容与温度的关系图(使用指定的测试信号、指定的温度历史记录等测量)，设备就可以满足规格。) 垂直停留在蓝框内并穿过红线;在盒子的水平(温度)限制之外，一切都会发生。当考虑温度特性时，我们发现这个(标称值)470 pF 电容器的电容可能介于 76 和 630 pF 之间(25°C 时除外)，但仍完全保持在规格范围内。加上老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反设备的指定限制。这里“公差”和“温度特性”的区别显然非常重要;如果设计人员错误地认为该设备将显示出标称值的 10% 以内的值，那么如果应用程序偏离室温太多，则可能会感到失望。比较 P/N 在盒子的水平(温度)限制之外，一切都会发生。当考虑温度特性时，我们发现这个(标称值)470 pF 电容器的电容可能介于 76 和 630 pF 之间(25°C 时除外)，但仍完全保持在规格范围内。加上老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反设备的指定限制。这里“公差”和“温度特性”的区别显然非常重要;如果设计人员错误地认为该设备将显示出标称值的 10% 以内的值，那么如果应用程序偏离室温太多，则可能会感到失望。比较 P/N 在盒子的水平(温度)限制之外，一切都会发生。当考虑温度特性时，我们发现这个(标称值)470 pF 电容器的电容可能介于 76 和 630 pF 之间(25°C 时除外)，但仍完全保持在规格范围内。加上老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反设备的指定限制。这里“公差”和“温度特性”的区别显然非常重要;如果设计人员错误地认为该设备将显示出标称值的 10% 以内的值，那么如果应用程序偏离室温太多，则可能会感到失望。比较 P/N 我们发现这个(标称值)470 pF 的电容器可以表现出介于 76 和 630 pF 之间的任何电容(25°C 时除外)，但仍完全保持在规格范围内。加上老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反设备的指定限制。这里“公差”和“温度特性”的区别显然非常重要;如果设计人员错误地认为该设备将显示出标称值的 10% 以内的值，那么如果应用程序偏离室温太多，则可能会感到失望。比较 P/N 我们发现这个(标称值)470 pF 的电容器可以表现出介于 76 和 630 pF 之间的任何电容(25°C 时除外)，但仍完全保持在规格范围内。加上老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反设备的指定限制。这里“公差”和“温度特性”的区别显然非常重要;如果设计人员错误地认为该设备将显示出标称值的 10% 以内的值，那么如果应用程序偏离室温太多，则可能会感到失望。比较 P/N 加上老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反设备的指定限制。这里“公差”和“温度特性”的区别显然非常重要;如果设计人员错误地认为该设备将显示出标称值的 10% 以内的值，那么如果应用程序偏离室温太多，则可能会感到失望。比较 P/N 加上老化和电压效应作为变量，实际观察到的电容可以在更宽的范围内变化，而不会违反设备的指定限制。这里“公差”和“温度特性”的区别显然非常重要;如果设计人员错误地认为该设备将显示出标称值的 10% 以内的值，那么如果应用程序偏离室温太多，则可能会感到失望。比较 P/N 如果设计人员错误地认为该设备将显示出标称值的 10% 以内的值，那么如果应用程序偏离室温太多，则可能会感到失望。比较 P/N 如果设计人员错误地认为该设备将显示出标称值的 10% 以内的值，那么如果应用程序偏离室温太多，则可能会感到失望。比较 P/N490-3271-2-ND和490-5920-2-ND; EIA 0402 封装中的两个 0.1 uF、25 V 电容器。前者使用具有 Y5V 特性的 III 类电介质，容差为 -20% ~ +80%，在撰写本文时的单价为 0.00399 美元。后者使用具有 X5R 特性的 II 类电介质，具有 +/-10% 的公差，售价为 0.00483 美元。因考虑温度特性而产生的公差带和窗口一起绘制在图 10 右侧的图表中。与前面的图表一样，如果它们的实际电容是温度的函数，则下线的设备符合规格留在各自的盒子内并通过垂直线@ 25°C。X5R(II 类)设备比 Y5V(III 类)设备更接近标称值三倍以上，并且在更宽的温度范围内如此，而由于制造可变性和温度的综合影响，最大和最小设备值之间的比率对于 II 类设备要低近十倍。不到 1/10 美分就可以减少所需的设计余量、提高生产良率、减少测试要求、延长产品寿命等。这样的好处值得每一分钱，但它们不会花费那么多。

　　电容电压系数

　　陶瓷电容器的电容随直流偏置电平的变化而变化。换句话说，用平均为 0 V 的 1 V P-P尺寸波测量器件的电容将产生不同(通常更大)的值，这与用直流偏置为 10 V 的 1 V 正弦波测试同一器件时的值不同。效应源于由于施加的电压梯度而施加在电介质晶体结构上的应力，因此与电介质厚度/器件额定电压成比例;在其他条件相同的情况下(这很少……)额定电压为 100 V DC 的设备需要的直流偏置电压是额定电压为 25 V DC的设备的四倍为了表现出相同比例的电容变化。不出所料，该效果还受到电介质配方的影响。EIA I 类电介质表现出相对较小的电压系数，随着直流偏置在设备额定电压的 0% 到 100% 之间变化，观察到的电容通常最多变化几个百分点(通常更少)。EIA II 类电介质受直流偏压的影响明显更大，电容变化大约为 20-60%。这种变化当然不容小觑，但明显没有 EIA III 类电介质表现出的那些变化严重，EIA III 类电介质通常表现出超过其额定电压的 80-90% 或更多的电容变化。不，那不是错字;使用 EIA III 类介电材料的陶瓷帽的有效电容可能仅由于直流偏置而改变一个数量级。这种影响也可能是不利的非线性的;当偏置到其额定直流电压的 20% 时，某些设备的电容会减少 75%。更糟糕的是，该效应与温度效应是累积的(虽然不是线性累加)。-100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 电容变化 (%) 直流偏置 (V) 直流偏置特性 0402 (CGB2A1X5R1C105K033BC)0603(C1608X5R1C105K080AA)0805(C2012X5R1C105K085AA)。

　　图 11：封装尺寸对直流偏置效应的影响。资料来源：来自 TDK Components Characteristic Viewer 在线工具的数据。

　　可能更令人惊讶(和阴险)的是直流偏置效应的大小与器件封装尺寸之间的关系。将越来越大的电容塞进越来越小的封装在某些时候需要做出妥协，如图 11 所示，显示了来自同一制造商产品系列的三个不同 1uF/16V/X5R 电容器的电容变化与直流偏置的函数关系;它们之间的主要区别只是包装尺寸。较小包装的成本是显而易见的;采用 EIA0805 封装(绿色)的器件在 5 V 偏压下表现出几个百分比的电容损失，而更具侵略性的 0402 封装器件(蓝色)在相同条件下损失近 70%，而采用 0603 封装的器件(红色) ) 介于两者之间。认识到许多应用既涉及直流偏置又涉及维持一些最小电容(例如，低压差稳压器的输出滤波器)，无知可能带来不愉快的后果是显而易见的。不幸的是，对这些电压相关效应的描述实际上并不是器件数据表的一部分，因此很容易忽视或忽略它们的存在，并使比较不同产品的工作变得复杂。但是请放心，它们确实存在，并在选择设备时牢记这一事实。很容易忽视或不知道它们的存在，并使比较不同产品的努力复杂化。但是请放心，它们确实存在，并在选择设备时牢记这一事实。很容易忽视或不知道它们的存在，并使比较不同产品的努力复杂化。但是请放心，它们确实存在，并在选择设备时牢记这一事实。

　　开裂

　　由于陶瓷材料的脆性和相对刚性，机械损坏是陶瓷电容器发生故障的主要原因。故障的电气症状可能表现为电容减少以及短路或开路。在某些情况下，这些症状可能会随着温度等外部影响而出现和消失。有时肉眼可以看到陶瓷电容器中的裂纹，有时它们太小而看不见，或者隐藏在已安装设备的底部或端子的边缘。机械损坏通常是通过以下几种机制之一造成的：

　　组装过程中的电路板弯曲或由连接器配合力、粗暴处理等引起的。

　　操作温度循环或装配操作引起的热应力。

　　组装前或组装过程中因处理不当而造成的直接损坏。

　　到目前为止，由于陶瓷材料、端子和 PCB 之间的紧密机械耦合，多层陶瓷芯片 (MLCC) 类型是最常见的开裂受害者。通孔或引线框安装设备的相对较长且灵活的端子减少了由于温度循环或电路板弯曲而施加到陶瓷电容器主体的力，从而大大减少了这些设备开裂的问题。对于工作条件恶劣的应用，可以使用设计为在端子和陶瓷设备主体之间提高机械灵活性的 MLCC，以及设计用于降低短路故障风险的设备。许多电容器开裂的来源都与装配有关，超出了设计人员的直接控制范围;例如，装配商有责任避免在拾取和放置操作期间压碎和粉碎组件，并为所用的装配过程提供适当的预热和冷却时间。使用的焊膏量/焊膏模板厚度等其他因素是共同的责任，而焊盘尺寸、电路板布局和封装选择等因素则完全取决于设计人员。MLCC开裂现象及其避免的详细讨论可在行业文献中找到，为简洁起见，这里不再重复。然而，设计师从这一来之不易的知识体系中提炼出的几条经验法则如下：以及为所使用的装配工艺提供适当的预热和冷却时间。使用的焊膏量/焊膏模板厚度等其他因素是共同的责任，而焊盘尺寸、电路板布局和封装选择等因素则完全取决于设计人员。MLCC开裂现象及其避免的详细讨论可在行业文献中找到，为简洁起见，这里不再重复。然而，设计师从这一来之不易的知识体系中提炼出的几条经验法则如下：以及为所使用的装配工艺提供适当的预热和冷却时间。使用的焊膏量/焊膏模板厚度等其他因素是共同的责任，而焊盘尺寸、电路板布局和封装选择等因素则完全取决于设计人员。MLCC开裂现象及其避免的详细讨论可在行业文献中找到，为简洁起见，这里不再重复。然而，设计师从这一来之不易的知识体系中提炼出的几条经验法则如下：MLCC开裂现象及其避免的详细讨论可在行业文献中找到，为简洁起见，这里不再重复。然而，设计师从这一来之不易的知识体系中提炼出的几条经验法则如下：MLCC开裂现象及其避免的详细讨论可在行业文献中找到，为简洁起见，这里不再重复。然而，设计师从这一来之不易的知识体系中提炼出的几条经验法则如下：

　　选择经验丰富、注重质量的装配承包商。

　　避免热冲击;波峰焊和传统烙铁是特别危险的 MLCC 组装和返工方法。

　　减小组件尺寸;由于电路板弯曲，较大的设备会承受更大的压力，并且更容易受到热冲击的损坏。建议使用 0805(2012 公制)或更小封装的器件。

　　组装后分离镶板时要格外小心，以避免板弯曲。用手沿着划线手动断开阵列是最不受欢迎的方法，紧随其后的是剪刀。如果可能，请使用锯或其他不会对 PCB 施加弯曲应力的分离方法。

　　使 MLCC 远离电路板边缘、连接器、安装孔、大型/重型组件、面板片或其他可能将机械应力引入 PCB 的点。建议最小距离为 0.2 英寸或 5 毫米。

　　老化

　　陶瓷电容器会出现与电介质晶体结构变化相关的老化现象，表现为电介质材料初次烧制后电容和耗散因数发生变化。与既定模式一致，EIA I 类电介质受影响最小，被广泛认为不会老化，而 EIA II 类电介质材料受到中度影响，而 EIA III 类材料往往受到相当严重的影响。这种老化过程可以通过暴露在高于电介质居里温度的温度下足够长的时间以使晶体结构重新形成来重置(或设备“去老化”);温度越高，所需时间越短。由于许多陶瓷电介质的居里温度低于许多焊接工艺中遇到的居里温度，因此器件在组装过程中可能至少会部分老化。设备的这种老化行为通常表示为每十小时的电容变化百分比，相对于在“最后一次加热”时测量的电容;上一次该设备被加热到居里温度以上足够长的时间以完全改变其晶体结构。换句话说，老化率 (-) 5% 的电容器在其“新鲜烤箱”状态下测得 100 uF，在离开烤箱 1、10 和分别为 100 小时。显然，这引起了关于设备的标称电容应该是多少的问题，如果该数量不断变化，即使设备以其原始包装放在架子上未使用也是如此。行业标准 EIA-521 和 IEC-384-9 谈到了这个问题，主要说明设备在最后一次加热后 1000 小时(约 42 天)后应满足其指定的公差值。接下来的十年时间标记(10K 和 100K 小时)分别转化为 1 年多一点和 11 年多一点。使事情复杂化的是，老化过程以与温度相关的速率进行;直到电介质的居里温度，器件温度的升高通常会加速老化过程。由于老化现象会导致设备出现超出其规定公差的情况，因此产品设计和生产测试人员必须注意这一事实;最近重新流过的组件的测试应该期望电容值有点高，并且设计应该有足够的余量以随着设备老化而正常运行。电源转换电路是这种效应可能造成严重危险的一个很好的例子，因为陶瓷电容器通常最终会对此类电路的控制回路产生强烈影响，无论是作为补偿网络组件还是作为滤波器元件。一个在组装过程中因电容器老化而显得稳定的系统可能会随着时间的推移变得不稳定，因为老化导致的电容损失会影响控制回路的动态。最重要的是，如果随着时间的推移稳定的电容值很重要，则应避免使用显着老化的电容器。如果西西弗斯是 21 世纪的人物，

　　压电效应/麦克风

　　IEC 2 级(EIA II 级和 III 级)陶瓷电介质在本质上具有显着的压电性，导致电气域和机械域之间的转换机制非常重要。在压电材料上施加电压会导致机械变形，相反，使压电材料发生机械变形会导致电压出现在压电材料上。由于电容器和 PCB 之间的紧密机械耦合，这对于表面贴装 MLCC 尤其有问题。一方面，施加在电容器上的纹波电压可以转化为令人讨厌的可闻噪声;另一方面，外部机械振动可以作为信号耦合到电子电路中。基于 1 类电介质的陶瓷电容器受影响最小，因为这些电介质几乎没有压电效应。

　　电极冶金

　　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.

　　设备特性、选项和目标应用

　　汽车

　　作为“汽车”类型销售的电容器设计用于机械要求苛刻的环境，例如汽车。通常，它们还根据某些协议进行生产和测试，例如汽车电子委员会制定的 AEC-Q200 标准，该标准规定了各种应力机制的测试方法和性能水平，例如 ESD、施加到端子的机械力、浪涌电压等

　　受控的 ESR

　　指定为“受控 ESR”类型的电容器设计有少量有意添加的 ESR，以降低由电容及其寄生电感产生的 LC 电路的“Q”因子。这对电源轨去耦等应用很有帮助，在这些应用中，适量 ESR 的存在可以抑制带有走线电感的电容器的“振铃”，或有助于避免并联电容器之间的反谐振情况。

　　环氧树脂可安装

　　指定为可安装环氧树脂的设备设计为使用导电粘合剂而不是通常的焊接工艺进行安装。区别主要在于用于端子表面电镀的材料，这些材料不同是为了使所使用的安装方法具有良好的粘合性;标准焊接工艺不适用于环氧树脂可安装设备，反之亦然。环氧树脂安装有利于承受较大、频繁的温度波动的应用(例如汽车应用)，其中环氧树脂接头相对于焊点具有更高的机械灵活性，可减少由于电路板之间不同的热膨胀系数而产生的机械应力，焊点和电容器体。环氧树脂安装也适用于对热敏感的应用，例如 LCD 面板。

　　浮动电极

　　指定为“浮动电极”类型的设备实际上由多个电容器串联组成，内部电极未连接到任何设备端子，而是保持“浮动”状态。这种构造方法的目的主要是降低短路故障模式的风险，短路故障模式通常作为电容器开裂的次要影响而发生，尽管它在 ESD 和浪涌电压的稳健性方面也有好处。

　　高温

　　指定为“高温”类型的设备(不出所料)适用于温度高于大多数电子设备所遇到温度的应用。通常这也意味着“宽温度范围”，因为具有此名称的设备往往也被指定用于电子设备通常遇到的工作温度范围的下限。关于此名称的不明显之处在于，大多数带有它的设备在其同类产品中都表现出相当令人印象深刻的参数稳定性，包括温度和通常的直流偏置。

　　高压/Arc Guard™/Arc Shield™

　　带有“高压”和/或专有抗电弧标志的电容器设计用于超过电子设备典型电压的应用电压。不同制造商对“高压”的定义各不相同，但分界线似乎落在 100 V 至 1 kV 范围内。在这样的电位下，MLCC 技术开始受到端子之间或端子与通过设备外壳连接到另一个端子的电极之间的表面电弧的影响。这当然不是什么好事。虽然表面电弧在足够高的电压下成为任何组件的问题，但 MLCC 技术特别容易受到攻击，因为其紧凑的结构必须将两个设备端子及其连接的电极非常靠近，增加电介质击穿和电弧的风险。增加设备尺寸来补偿是一种选择，但它的代价是设备破裂的风险大大增加。设备如Arc Guard™和Arc Shield™系列产品旨在减轻这些影响，并改进介电击穿故障风险与机械开裂风险之间的权衡方程式。

　　高 Q/低损耗/低耗散因数

　　以高 Q、低损耗或低耗散因数类型销售的设备旨在最大限度地减少 ESR。通常，这些设备由 I 类介电材料制成，用于 RF 或其他高频应用，在这些应用中，近乎理想的电容器可用于鉴频目的。

　　集成泄漏电阻

　　具有此名称的设备集成了一个并联电阻，以确保在设备断电时电荷不会残留或累积在电容器上。在撰写本文时，DigiKey 仅列出了 3 个带有此名称的部件号，所有这些都没有库存并且价格不菲。为什么?好吧，这些设备数据表的营销(第一)页上列出的建议应用包括“引爆装置”和“电子引信”，这与您在大多数电容器数据表上看到的完全不同。(不，应用笔记不可用……)

　　低ESL

　　低 ESL 陶瓷电容器旨在最大限度地减少串联电感。在表面贴装 MLCC 的情况下，大部分电感不是部件本身固有的，而是与封装的几何形状以及将其连接到电路的引线有关。因此，低 ESL MLCC 大部分是标准器件的几何和引线配置变体。多端子低 ESL 器件为每个逻辑电容器端子使用多个物理端子，并以这样的方式交错排列，使电流进出器件产生的磁场在很大程度上抵消，从而降低电感。逆几何陶瓷电容器将器件端子放在电容器的长边上，而不是像其他设备的标准做法那样放在电容器的末端。堆叠式低 ESL 陶瓷电容器将多个 MLCC 器件连接在一个引线框架上，这使得它们可以作为一个单元进行处理和组装，并在降低开裂和颤音效应的风险方面提供优势。将此类设备描述为“低 ESL”在某种程度上是一种营销策略，因为它只有在与不同电容器技术进行苹果对橘子比较的情况下才是准确的。相对于直接安装在 PCB 上的相同陶瓷电容器，设备安装在引线框架上(将它们提升到电路板上方)将表现出明显更高的 ESL。低 ESL MLCC 的 X2Y 描述符是一个商标，不应与外观相似的安全标志符(如“X1Y2”)混淆。虽然有就使用它们的原因而言，这两个设备组之间有一些相似之处，设备本身完全不同。低 ESL X2Y 电容器的额定电压低至 6.3V，并且每次都允许发生短路故障，而安全等级的设备必须承受 kV 级浪涌并避免像瘟疫这样的短路故障模式。也就是说，X2Y 低 ESR 电容器在低压电源去耦、共模滤波和类似应用中具有显着优点。它们的显着特征是它们的 4 端子结构;两个端子电气连接，既充当“直通”连接，又充当设备内两个独立电容器的公共端子，每个电容器都使用其余端子之一作为其第二个电极连接。这种排列的几何形状允许减少去耦应用中与布局相关的电感，

　　低调

　　薄型电容器比长度和宽度相当的典型设备更薄，以便于在高度受限的应用中使用。可提供厚度测量值小至 0.006”(0.15 毫米)的设备。应该注意的是，这些设备的厚度减少使它们更容易因电路板弯曲而破裂，考虑到需要额外减少一两毫米高度的应用，仔细的设计、组装和处理程序变得尤为重要这些设备也可能使用更薄(因此更灵活)的电路基板。

　　军队

　　指定为“军用”并根据美国军方标准化零件编号方案采购的产品按照军方制定的规格生产，以确保跨多个供应来源的产品一致性。传统的“军用规格”标准不仅阐明了生产内容，还阐明了生产方式，以确保来自不同供应商的产品的一致性和可互换性。较新的 MIL-PRF 标准是基于性能的，并规定了产品必须如何执行，同时将实现目标的精确方法主要留给制造商。后一种方法提供的灵活性为采用新技术和制造工艺提供了更大的回旋余地，但随着时间的推移，制造商之间产品行为差异的风险有所增加。在任一情况下，由于涉及广泛的测试和文档要求，按照军用规格采购的“真正”军用产品往往相当昂贵。作为中间立场，可以使用按军用规格生产但作为标准商业产品销售的产品，但没有大量文档。

　　非磁性

　　非磁性电容器由既不会被磁铁吸引也不会受到磁铁不利影响的材料制成，并且不会影响放置它们的磁场。它们通常在制造后进行筛选，以确保最终产品保留这些特性。此类产品用于医疗成像和诊断设备、导航系统、实验室设备和其他不希望设备受到磁场影响或保留会影响应用电路或其他设备运行的磁场的应用。

　　开放模式

　　作为“开放模式”设备销售的 MLCC 旨在降低因机械开裂而可能发生的短路或低阻抗故障模式的风险。实现这一目标的常用方法是减少两组电极之间的重叠区域，以使电路板应力裂纹的典型路径不会穿过电极重叠的区域。这样做会减少电容器内可用的有源面积，因此在给定封装尺寸中可实现的最大电容值会降低。这种方法可以与浮动电极和软终端技术相结合，以进一步降低与裂纹引起的 MLCC 故障相关的风险。虽然开式 MLCC 大大降低了短路故障的风险，应该指出的是，此类故障的概率仍然不为零。如果必须进一步降低短路故障的可能性，行业文献中建议使用两个相互成 90° 的串联设备。

　　软/灵活终端

　　在市场上销售的具有软终端或柔性终端的 MLCC 旨在提供金属终端和陶瓷电容器主体之间的连接，这种连接比标准 MLCC 中的连接更符合机械要求。这通过减少由于电路板弯曲或温度循环而施加到陶瓷材料上的应力来降低开裂的风险。

　　什么是双电层电容器?

　　双电层和超级电容器：

　　设备构造和区别特征：

　　双电层电容器 (ELDC) 和超级电容器是一组类电解设备，其特点是单位体积电容极高，额定电压低，通常不超过几伏。这些设备的构造类型和工作原理各不相同，并且是正在进行的研发工作的主题，但它们之间的共同主题是使用具有极高单位体积表面积的电极材料(例如活性炭、气凝胶等)和没有传统的固体电介质。代替其他电容器类型中的传统陶瓷、聚合物或金属氧化物电介质，ELDC、超级电容器和其他名称的类似设备依赖于提供极小电荷分离距离的各种电化学、静电和电荷转移效应;电容器的“板”分开的距离通常以纳米的分数来衡量。出于实用目的，ELDC、超级电容器和不同名称的类似设备可被视为传统电容器和二次(可充电)电池之间的一种中间地带。它们的储能密度高于传统电容器但低于电化学电池，ESR 值按电容器标准高，但按电化学电池标准低，与化学电池的循环寿命相比，它们的循环寿命几乎无限几百到几千个周期。与电化学电池一样，可以将多个 ELDC 集成到一个封装中，以产生具有更高标称电压的复合装置。与其他电容器类型相比，高 ESR 和较差线性特性的结合使得 ELDC 和超级电容器不适合大多数信号和高频 (>kHz) 应用，但它们对于人类尺度时间范围内的能量存储非常有用。在这个领域内，有一系列用于不同应用的设备。较小的设备可能具有高达几百欧姆的 ESR 值，适用于具有 uA 级电流要求的存储器和实时时钟备份电源等应用。另一端是具有分数毫欧 ESR 的设备，旨在用于电流高达数百安培的应用，例如车辆的再生制动系统。但它们对于人类规模时间框架的能量存储非常有用。在这个领域内，有一系列用于不同应用的设备。较小的设备可能具有高达几百欧姆的 ESR 值，适用于具有 uA 级电流要求的存储器和实时时钟备份电源等应用。另一端是具有分数毫欧 ESR 的设备，旨在用于电流高达数百安培的应用，例如车辆的再生制动系统。但它们对于人类规模时间框架的能量存储非常有用。在这个领域内，有一系列用于不同应用的设备。较小的设备可能具有高达几百欧姆的 ESR 值，适用于具有 uA 级电流要求的存储器和实时时钟备份电源等应用。另一端是具有分数毫欧 ESR 的设备，旨在用于电流高达数百安培的应用，例如车辆的再生制动系统。适用于具有 uA 级电流要求的存储器和实时时钟备份电源等应用。另一端是具有分数毫欧 ESR 的设备，旨在用于电流高达数百安培的应用，例如车辆的再生制动系统。适用于具有 uA 级电流要求的存储器和实时时钟备份电源等应用。另一端是具有分数毫欧 ESR 的设备，旨在用于电流高达数百安培的应用，例如车辆的再生制动系统。

　　可用电容和电压范围：

　　图 12 显示了撰写本文时 Digi-Key 库存的 ELDC 和超级电容器的电压和电容额定值。请注意，垂直刻度的单位是法拉，与类似图表中的微法单位形成对比。

　　图 12：在撰写本文时可通过 Digi-Key 获得的 ELDC/超级电容器及其阵列的电容值与额定电压的关系图。

　　常见故障机制/关键设计注意事项：

　　ELDC/超级电容保护伞下设备之间的技术差异排除了对整个组的故障机制和关键设计考虑因素的详细讨论。然而，从应用的角度来看，足以注意到适用于铝电解电容器的问题或多或少直接转移到 ELDC 和超级电容器上：

　　它们包含易蒸发的液体电解质溶液，阿伦尼乌斯经验法则预测温度每升高 10°C，设备寿命就会减半。应该注意的是，许多 ELDC/超级电容器的温度额定值相对较低，并且自热效应在涉及长时间充电循环的应用中可能变得很重要。此外，许多板上安装的设备不能承受回流焊工艺，因此在组装过程中可能需要特别小心。

　　它们不应在高于额定电压的情况下运行。这样做会因电解质损失和/或电介质击穿而导致故障。这在包含有机电解质的设备的情况下尤其重要，因为在故障期间释放的材料可能被证明是非常有毒的。

　　它们表现出显着的介电吸收和器件特性随温度的变化。此外，ELDC/超级电容器中的漏电流通常非常高，特别是在由串联电容器组成的复合设备中。通常，此类设备需要某种形式的电路来平衡施加到每个的电压，以避免因容量或漏电流不平衡导致的任何给定电池上的过压情况。

　　根据 Q=C*V 方程，电容器在充电状态和输出电压之间呈现线性关系。这不同于电化学电池，电化学电池通常具有宽的、或多或少平坦的输出电压平台作为其充电状态的函数。在许多/大多数应用中，这意味着需要某种形式的电源管理电路才能充分利用 ELDC/超级电容器的全部容量。

　　什么是薄膜电容器?

　　图 13：各种封装样式和引线配置的薄膜电容器示例。(不按比例)

　　装置构造

　　薄膜电容器类别中的设备本质上是静电的，使用介电材料(例如纸或各种聚合物)制成薄片或“薄膜”并与电极材料交错以形成电容器。术语“薄膜电容器”一般指使用这种工艺制造的任何设备，术语“薄膜”指的是所用介电材料的性质。当术语“金属”用作“薄膜”的限定词时，如“金属薄膜”或“金属化薄膜”，它更具体地指代电极建立在支撑基板上的薄膜电容器子类型在非常薄(10 纳米)的层中，通常通过真空沉积工艺。经常使用的基板也用作电容器的介电材料，尽管情况并非总是如此。

　　图 14：薄膜电容器中金属薄膜和箔电极样式之间区别的图示。

　　基于金属薄膜电极的薄膜电容器具有能够自愈的优点;电介质中局部故障附近的电极材料足够薄，可以被故障引起的泄漏电流蒸发，从而以损失一些电容为代价消除(或“清除”)它。由于可靠性或产量问题，这种自愈能力允许使用比其他可行的更薄的电介质，并导致单位体积的高电容。箔电极电容器的优势在于，较厚的电极会导致较低的 ESR，从而提供更好的 RMS 和脉冲电流处理能力，但会牺牲自愈能力并降低单位体积可实现的电容。许多对基本薄膜和箔电极类型的巧妙组合和调整被普遍使用。例如，箔电极和薄膜电极通常组合在单个设备中，使用“浮动电极”配置，这(与类似指定的陶瓷电容器一样)实际上是两个或多个串联连接的电容器。通过将“外”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常使用的技术是使用图案化的薄膜电极。通过将电极分成多个相互连接的部分，互连可以充当保险丝，在自愈事件期间限制故障点可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险减少。箔电极和薄膜电极通常组合在单个设备中，使用“浮动电极”配置，其(与类似指定的陶瓷电容器一样)实际上是两个或多个串联连接的电容器。通过将“外”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常使用的技术是使用图案化的薄膜电极。通过将电极分成多个相互连接的部分，互连可以充当保险丝，在自愈事件期间限制故障点可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险减少。箔电极和薄膜电极通常组合在单个设备中，使用“浮动电极”配置，其(与类似指定的陶瓷电容器一样)实际上是两个或多个串联连接的电容器。通过将“外”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常使用的技术是使用图案化的薄膜电极。通过将电极分成多个相互连接的部分，互连可以充当保险丝，在自愈事件期间限制故障点可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险减少。其中(像类似指定的陶瓷电容器)实际上是两个或多个串联连接的电容器。通过将“外”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常使用的技术是使用图案化的薄膜电极。通过将电极分成多个相互连接的部分，互连可以充当保险丝，在自愈事件期间限制故障点可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险减少。其中(像类似指定的陶瓷电容器)实际上是两个或多个串联连接的电容器。通过将“外”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常使用的技术是使用图案化的薄膜电极。通过将电极分成多个相互连接的部分，互连可以充当保险丝，在自愈事件期间限制故障点可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险减少。通过将“外”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常使用的技术是使用图案化的薄膜电极。通过将电极分成多个相互连接的部分，互连可以充当保险丝，在自愈事件期间限制故障点可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险减少。通过将“外”电极制成箔型，将“浮动”电极制成薄膜型，可以实现具有良好电流处理能力、自愈能力和提高单位体积电容的电容器。另一种经常使用的技术是使用图案化的薄膜电极。通过将电极分成多个相互连接的部分，互连可以充当保险丝，在自愈事件期间限制故障点可用的电流量，从而降低级联或短路故障的风险减少。

　　常见用法和应用：

　　某种形式的薄膜电容器是涉及施加到设备的电压反转的电源应用中的主要电容器技术。金属化薄膜类型非常适合安全等级应用，因为它们具有自我修复特性和在许多故障条件下无法打开的能力。金属箔类型通常用于需要更高纹波电流幅度的应用，例如启动/运行交流电机或为大功率配电提供容抗。此外，薄膜电容器通常用于需要相对较高的电容值以及线性度和温度稳定性的低压信号应用，例如模拟音频处理设备。在直流母线滤波等应用中，器件的极性没有反转，薄膜电容器可以替代铝电解类型(反之亦然)。将薄膜电容器与具有相似电压和电容额定值的铝电解类型进行比较时，薄膜电容器往往更大，成本大约高出 10 倍，但 ESR 值却低大约 100 倍。薄膜电容器缺乏液体电解质消除了铝电解设备在低温下变干和 ESR 增加的问题，并且它们不会像铝电解设备那样在长时间不使用时遭受介电退化。此外，薄膜电容器较低的 ESR 特性可能允许使用比某些应用中电解装置所需的电容值更小的电容值，

　　常见故障机制/关键设计注意事项：

　　虽然薄膜电容器通常非常耐用，但它们容易受到一些长期磨损机制的影响。随着时间的推移，所使用的介电材料会变弱、变脆，并且其耐压能力会下降，最终导致介电击穿故障。温度和电压应力会加速该过程，降低其中任何一个都可以延长使用寿命。根据电介质击穿事件的严重程度，所显示的故障模式范围从相对温和到非常壮观。由薄膜电容器的自愈特性阻止的轻微击穿事件将表现为电容的逐渐减少。随着时间的推移发生更多此类事件，累积效应会导致电容降低和 ESR 增加，直到设备的性能不再符合规范并且被认为参数失败为止。在更极端的情况下，如果参数故障设备未停止使用，可能会在参数故障之后发生，当自我修复过程中释放的热能促使附近发生额外的电介质击穿时，可能会发生级联故障。由于自愈事件会将部分电容器从电路中移除，因此随着自愈的进行，应用应力会重新分布在器件不断缩小的部分，导致器件有效保持部分的应力增加在电路中。然后电容器的下一个最薄弱的部分失效，将其负担转移到剩下的部分，引发更多的击穿事件，更多的应力集中，更多故障事件等以指数方式发生。如果这个过程发生得足够快，自我修复过程中产生的气态副产品会产生足够的压力，使设备的外壳猛烈破裂。较大的设备通常包括一个通风机构，以在发生这种情况时限制/防止飞溅碎片造成的附带损害，并且还可能包括一个熔断机构，以在发生内部过压情况时将设备从电路中移除。请注意，如果参数化失败的设备继续运行，由于反复自我修复而导致的参数化失败可能只是通向更具灾难性、爆炸性失败的路径上的一个路标点。薄膜电容器中发现的另一种过应力故障模式发生在超过峰值电流限制时，由于在电容器的“极板”连接到外部引线的区域发生类似保险丝的动作。这在金属化薄膜类型中尤为常见，因为它们的电极厚度非常小，因此与外界的连接非常脆弱。许多薄膜型电容器会指定施加在电容器两端的最大电压变化率 (dV/dt)。这相当于指定通过器件的峰值电流，因为 I(t)=C*dV/dt，尽管电压通常比电流更便于测量。环境条件对薄膜电容器的寿命也有影响。与其他设备一样，升高的温度会大大缩短设备的使用寿命。胶片设备更独特的是易受潮;长时间暴露在高湿度环境中或组装后清洗循环会导致水分通过设备引线周围的环氧树脂-金属密封缺陷或通过设备的聚合物外壳扩散进入设备。水分进入在几个方面都很糟糕;它既会降解介电材料，又会促进电极材料的腐蚀。特别是在电极最初只有几十纳米厚的金属膜型设备中，极少的腐蚀就会引起问题。此外，高振动环境也会引起设备引线的机械故障、引线与电极之间的连接或加剧湿气进入问题，从而带来麻烦。薄膜电容器可靠性和寿命的主要因素是施加电压，其次是温度。供应商的使用寿命模型各不相同，但通常基于将额定电压与外加电压之比取一个大指数(通常在 5 到 10 之间)，而温度的影响遵循阿伦尼乌斯关系，即每 10 倍变化 2 倍°C 温度增量。在这两种影响之间，电压降额 30% 和温度降额 20°C 会使使用寿命估计值增加近两位小数。

　　电介质类型、特性和目标应用：

　　丙烯酸纤维：

　　丙烯酸酯材料作为薄膜电容器的介电材料是相对较新的。目前可用的设备通常作为陶瓷电介质的回流兼容薄膜替代品销售，避免压电效应和直流偏压引起的电容损失，或作为较低 ESR 的钽替代品。

　　纸：

　　牛皮纸是最早用于薄膜电容器的介电材料之一，因为它在现代聚合物开发之前成本低且可用性高。通常用蜡、各种油或环氧树脂浸渍以填充空隙并抑制吸湿，其低介电强度和高吸湿性导致纸张作为介电材料在很大程度上不再受欢迎，尽管它在以下应用中的应用仍然有限对成本极其敏感，或者对遗留规范的更改极难实现。由于与聚合物材料相比，金属膜可以相对容易地应用于纸，纸有时不用作介电材料本身，而是用作金属化电极材料的机械载体，

　　聚酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)：

　　聚酯，也称为聚对苯二甲酸乙二醇酯或 PET，与聚丙烯一起是薄膜电容器中最常用的介电材料之一。相对于聚丙烯，聚酯一般具有较高的介电常数、较低的介电强度、较高的耐温性和较高的介电损耗。简而言之，聚酯电介质适用于重视电容数量而非质量且不需要表面贴装外形的薄膜电容应用。某些专为耐高温而设计的聚酯配方有助于在表面贴装封装中使用聚酯薄膜电容器，尽管这些器件的数量相对较少。

　　聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN)：

　　聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 是一种聚合物介电材料，设计用于承受更高的温度，允许在表面贴装、回流兼容封装中使用薄膜电容器技术。在应用概念中，它可以被认为是聚乙烯 (PET) 的回流兼容版本，提供的电容数量超过质量。为了获得回流焊接兼容性，PEN 放弃了一些比电容(单位体积的电容)，具有更高的介电吸收，并且更容易出现吸湿问题，尽管相对于聚乙烯在低频下的耗散因数可能略有改善。

　　聚丙烯(PP)：

　　在常用的薄膜电容器电介质中，聚丙烯具有最低的介电损耗、最低的介电常数和最低的最高工作温度。它还具有这些聚合物中最高的介电强度之一，以及良好的温度参数稳定性。总的来说，聚丙烯是要求电容质量而非数量的薄膜帽应用的首选电介质。由于其耐低温性，聚丙烯电介质与回流焊接工艺不兼容，因此几乎只能在通孔或某种形式的底盘安装封装中找到。由于其卓越的损耗特性，聚丙烯薄膜电容器是感应加热和晶闸管换向等大电流、高频应用的首选器件，

　　聚苯硫醚 (PPS)：

　　对于电容质量比数量更重要的应用，聚苯硫醚 (PPS) 电介质可被视为聚丙烯的回流兼容替代品。相对于聚丙烯，PPS 电容器在适用频率范围内表现出更高的比电容和耗散因数，大约为 2 到 3 倍，但电容在温度范围内的稳定性略有改善。

　　其他电介质

　　许多薄膜电容器介电材料要么随着时间的推移来去匆匆，要么一直默默无闻。虽然不容易获得或不建议在新应用中使用，但在此提及以供参考和比较。

　　聚碳酸酯

　　聚碳酸酯是一种坚硬、透明的热塑性塑料，通常用于制造安全眼镜、头盔面罩或其他抗冲击光学器件的镜片。它用作介电薄膜的制造在 2000 年左右停止，用于电容器应用的剩余材料库存已大量消耗。作为一种介电材料，它非常好，虽然在大多数情况下具有与聚丙烯相似但略逊于聚丙烯的电性能，但具有优异的温度特性，允许在军用(-55°C 至 +125°C)温度范围内使用且参数相对稳定并且在高温下经常不会降额。聚苯硫醚 (PPS) 通常被认为是一种可用的替代品，它可能适用于以前使用基于聚碳酸酯的设备的应用。

　　聚酰亚胺

　　聚酰亚胺是一种高温聚合物，通常以商品名 Kapton 出售，在许多电子应用中用作柔性电路的基板。作为电容器应用的电介质，它提供可与聚酯/PET 相媲美的中等性能，但其高温稳定性使其能够在超过 200°C 的高温下运行。虽然其高介电强度表明具有良好体积密度的设备的潜力，但将材料生产为非常薄的薄膜的困难往往会限制基于这种介电材料的电容器的吸引力/可用性。

　　聚苯乙烯

　　聚苯乙烯薄膜电容器在这一点上基本上已经灭绝，主要是因为装配和制造困难以及仅 85°C 的极低温度耐受性。在适中的工作温度下，聚苯乙烯电容器的电气性能非常好，并且在一段时间内，当稳定性和电气性能特征成为驱动选择标准时，此类设备是首选。在大多数情况下，这些设备已被聚丙烯薄膜电容器所取代。

　　聚砜

　　聚砜是一种刚性、透明的热塑性塑料，与聚碳酸酯在电气和成本高且相对不可用方面都相似。

　　铁氟龙/聚四氟乙烯

　　“Teflon”是杜邦公司的一个商品名，它包含许多含氟聚合物，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”这个名称找到。这些聚合物往往非常稳定，并具有作为精密电介质的许多令人钦佩的品质，包括耐高温和随时间、温度、电压和频率变化的出色稳定性等。PTFE 薄膜的机械性能及其金属化困难使得生产 PTFE基于薄膜电容器是一件困难且昂贵的事情，因此市场上很少有这样的设备。

　　什么是云母/聚四氟乙烯电容器?

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　　图 15：各种封装形式的云母电容器。(不按比例)

　　装置构造

　　云母是一组天然存在的矿物，其特点是能够轻松分裂成平坦的薄膜，被称为“白云母”的特定类型的云母是电容器应用的首选。作为电介质，云母具有出色的随时间和施加电压的稳定性、低温度系数、高耐温性、非常好的介电强度以及在宽频率范围内的低损耗特性。除了是出色的介电材料外，云母(一种天然存在的矿物)与 PTFE(一种合成含氟聚合物)几乎没有任何共同之处，但由于市场上至少有一个电容器产品系列使用 PTFE 代替云母来获得某些电容值，标题中提到了这两种材料……云母电容器的结构因应用而异，尽管可以在陶瓷和薄膜类型中找到相似之处。无论云母是从一大块原料上切下的单片，还是由许多小片制成的“纸”，电极/端子附着层(通常是银)沉积在两侧，然后单独使用(像单层陶瓷器件)像 MLCC 一样层叠在一起，或者像薄膜电容器一样缠绕。在金属化工艺发展之前生产的早期设备将云母片与电极箔机械夹在一起。与其他钳位电容器一样，这些设备的稳定性和可靠性不如更现代的类型，因此钳位云母电容器至少自第二次世界大战以来就已经过时了。或者作为由许多小薄片制成的“纸”，电极/端子附着层(通常是银)沉积在两侧，然后单独使用(如单层陶瓷器件)像 MLCC 一样分层，或缠绕比如薄膜电容。在金属化工艺发展之前生产的早期设备将云母片与电极箔机械夹在一起。与其他钳位电容器一样，这些设备的稳定性和可靠性不如更现代的类型，因此钳位云母电容器至少自第二次世界大战以来就已经过时了。或者作为由许多小薄片制成的“纸”，电极/端子附着层(通常是银)沉积在两侧，然后单独使用(如单层陶瓷器件)像 MLCC 一样分层，或缠绕比如薄膜电容。在金属化工艺发展之前生产的早期设备将云母片与电极箔机械夹在一起。与其他钳位电容器一样，这些设备的稳定性和可靠性不如更现代的类型，因此钳位云母电容器至少自第二次世界大战以来就已经过时了。在金属化工艺发展之前生产的早期设备将云母片与电极箔机械夹在一起。与其他钳位电容器一样，这些设备的稳定性和可靠性不如更现代的类型，因此钳位云母电容器至少自第二次世界大战以来就已经过时了。在金属化工艺发展之前生产的早期设备将云母片与电极箔机械夹在一起。与其他钳位电容器一样，这些设备的稳定性和可靠性不如更现代的类型，因此钳位云母电容器至少自第二次世界大战以来就已经过时了。

　　常见用法和应用：

　　云母电容器是真空管的现代技术，在历史上一直是需要稳定、高质量电容的首选设备。与真空管一样，提供更好性价比的新技术已经占据主导地位，并将云母技术降级到利基市场，在这些市场中，不常见的应力因素(例如核辐射、极端温度或高压应力)证明云母设备的成本合理。

　　图 16：在撰写本文时 Digi-Key 提供的云母/PTFE 电容器的电容值与额定电压关系图。

　　常见故障机制/关键设计注意事项：

　　现代云母电容器由于其制造中使用的材料的稳定性而往往非常可靠，并且对于大多数应用目的，可以类似于 C0G 陶瓷设备进行处理。与其他类型的电容器一样，由于振动、冲击、热循环等引起的机械故障都是可能的，并且由于水分进入造成的电极腐蚀也是一个潜在问题。

　　什么是钽电容?

　　图 17：采用各种封装配置的钽电容器。(不按比例)

　　设备构造和显着特征

　　钽电容器是主要用于需要具有相对稳定参数的紧凑、耐用设备的电解设备，适度的电容和电压额定值就足够了。传统上，钽在单位体积电容、温度参数稳定性和寿命方面优于铝电解。钽在长时间放电后一般不会出现干涸问题或介电退化问题。然而，钽通常更昂贵，可用电容和电压值的范围更有限，由更容易受到供应中断影响的稀有材料制成，并且可能需要在设计中特别小心，因为某些子类型倾向于失效极大的热情。

　　图 18：在撰写本文时 Digi-Key 提供的钽电容器的电容值与额定电压关系图。

　　图 18 显示了在撰写本文时 Digi-Key 提供的各种钽电容器的电压和电流额定值组合。无论子类型如何，钽电容器的阳极结构都非常相似;将高纯度的精细粉末状金属钽模塑成所需的形状，并在高温下烧结，将单个金属粉末颗粒熔合成高度多孔的物质，称为“块”，其体积具有极高的内表面积。然后，电容器的电介质在液浴中以电化学方式形成，产生五氧化二钽 (Ta 2 O 5) 层覆盖在金属块的整个内表面区域，与铝电解电容器的电介质形成方式非常相似。从这一点来看，不同钽亚型的结构有所不同，所采用的不同阴极系统产生了不同类型的特性。

　　Ta/MnO 2 帽

　　目前使用的三种基本阴极系统产生了不同的钽电容器子类型;二氧化锰 (MnO 2 )、导电聚合物和“湿”。对于二氧化锰系统，在形成电介质后，将钽块浸入一系列硝酸锰 (Mn(NO 3 ) 2 ) 溶液中，并在每次浸入后进行烘烤，将液体溶液转化为固体(半)导电二氧化锰，从而彻底渗透钽块的微观结构并用作设备的阴极。然后施加一层界面材料如石墨以保持MnO 2在整个组件用环氧树脂包装并在装运前进行测试之前，与金属层(通常是银)发生反应，以便连接导线。最终产品是固态电解电容器，具有高比电容、无干涸问题、良好的可靠性、相对较好的温度稳定性以及相当严重的故障模式……因为钽-MnO 2 电容器的成分和结构相似对于鞭炮(一种细碎的金属与加热时释放氧气的物质密切混合)，这些电容器以烟火方式失效而闻名，其特征是爆炸和/或猛烈喷出的火焰。因此，建议在选择和应用时特别小心。

　　军事/高可靠性/故障安全

　　基本 Ta/MnO 2的一些实际改进电容器技术已经出现，并且可以使用减轻或至少量化故障风险的机制。指定为军用产品并根据 MIL 规范部件号采购的产品是根据引用的 MIL 规范的规定生产和测试的，通常包括批次测试和筛选程序，以建立可靠性的统计保证。MIL 规范通常还要求(不符合 RoHS 标准)铅轴承端子表面处理，这有利于系统的整体可靠性，因为它降低了锡须形成的风险并降低了组装过程中的峰值温度。高可靠性部件通常采用具有不同标签和端子表面处理的 MIL 规格材料制造，但也可能包含 MIL 规格管理机构尚未采用的技术改进。在任何情况下，名副其实的 Hi-Rel 产品将经过筛选、测试和/或老化，以提供可靠性的统计保证。故障安全设备包含某种类型的熔断机制，以便在短路故障发展为明火故障之前将其转换为开路故障。这些机制并不完美，但它们确实将燃烧失败的风险降低了几个小数位。

　　钽聚合物

　　钽聚合物电容器完全省去了二氧化锰，而是使用导电聚合物作为阴极材料，这几乎消除了烟火故障的风险。由于所用聚合物材料的电阻相对于 MnO 2较低，因此钽聚合物电容器通常具有更好的 ESR 和纹波电流规格，并且相对于基于 MnO 2的对应物在高频下具有更好的性能。聚合物阴极系统的缺点包括更有限的温度范围、对水分更敏感，以及导致更高漏电流的自我修复效率降低。

　　湿钽

　　顾名思义，湿钽电容器在其阴极系统中使用液体电解质。由于很难焊接到液体上，因此需要一个阴极对电极来完成通过烧结钽阳极块的电路，而这个对电极的设计是湿钽器件不同系列之间的区别之一。现代设备使用密封/焊接的钽外壳，与早期采用银外壳材料和弹性密封件的设备相比，这种外壳不易发生电解液泄漏，并且更能容忍偶然的电压反转。湿钽器件的主要优点是它们的可靠性和相对较高的比电容;液体电解质为电介质提供持续的自愈作用，导致低漏电流和更高范围的适用工作电压。然而，由于液体电解质的电阻，大多数湿钽的 ESR 不是特别好，导致在相对低频时电容损失。湿钽也相当昂贵，大约是同等额定值的铝电解装置的 100 倍。总而言之，这些因素使湿钽成为一种利基技术，主要用于失败不是一种选择、金钱不是目标的应用;空间/卫星应用、生命攸关的航空电子系统等。大约是具有可比额定值的铝电解装置的 100 倍。总而言之，这些因素使湿钽成为一种利基技术，主要用于失败不是一种选择、金钱不是目标的应用;空间/卫星应用、生命攸关的航空电子系统等。大约是具有可比额定值的铝电解装置的 100 倍。总而言之，这些因素使湿钽成为一种利基技术，主要用于失败不是一种选择、金钱不是目标的应用;空间/卫星应用、生命攸关的航空电子系统等。

　　失效机制和设计注意事项

　　对于一般的钽

　　钽电容器中介电故障的主要原因是形成阳极块的钽粉中存在杂质。就像高速公路工作人员在道路上画线时不费心将路障移开时出现的间隙一样，钽中的杂质会导致介电层出现缺陷。由于钽电容器中的电介质最初只有几纳米厚，因此即使非常小的杂质也会引起问题。钽电容器中的其他介电故障是由机械引起的。作为一种有点脆的玻璃状物质，五氧化二钽电介质在施加机械应力时容易破裂。当零件组装到电路板上时，焊接操作期间的热膨胀应力尤为重要。由于这些应力会导致在生产时不存在(因此无法检测到)的故障，因此钽电容器在组装后首次通电时出现故障是一种众所周知的现象。由于聚合物阴极材料(显然，液体阴极)相对于二氧化锰更柔软、更柔韧，因此这些类型比 MnO 具有优势2基电容器婴儿死亡率方面。

　　对于基于 MnO 2的设备

　　Ta/MnO 2电容器的自愈机制基于 MnO 2材料热分解为导电性低得多的 Mn 2 O 3。当故障点附近的泄漏电流导致局部温度升高到足够高时，向故障点提供电流的 MnO 2阴极材料区域会发生故障，从而使故障点与进一步的电流流动隔离开来。不幸的是，这个过程会产生松散的氧气：2(MnO 2 ) + (能量) --> Mn 2 O 3+ O。成功的自愈事件和烟火式失败之间的区别在于，这种氧气是否会在足够高的温度下找到钽金属以自动点燃。环境温度和可用于在故障点引起欧姆加热的电气故障电流量都是影响结果的因素。

　　MnO 2设计考虑

　　虽然建议仔细研究制造商的应用文献，但为不耐烦的人提供以下有关 Ta/MnO 2电容器应用的指南：

　　使用串联电阻：限制可用于故障的外部电流大大降低了故障点达到临界点火温度的机会。从历史上看，建议使用每施加伏特 1 至 3 欧姆的串联电阻。现代设计可能无法承受如此大的 ESR，并且如果突然出现故障，较大的设备在充电时可能会包含足够的电能以自燃。在这些情况下，降额和设备筛选尤为重要。

　　降额电压：为了(显着)提高稳态可靠性，将设备从额定电压降额一半，当串联电阻极低时降额高达 70%，大约为每施加伏特 0.01 欧姆或更低。如果电流受到外部限制，那么低至 20% 的降额就足够了。建议使用进一步的(复合)温度降额系数，从 0 @ 85°C 线性增加到 33% @ 125°C，尽管高温产品系列可能有所不同。

　　小心老化：由于组装引起的介电故障，许多钽故障发生在组装设备的首次通电时。通过限流源逐渐施加电压来促进成功的自我修复可能会避免其中一些故障。随后暴露于最大预期电气和环境应力将作为验证测试，因为 Ta/MnO 2电容器一旦承受给定的一组应力，就可能几乎无限期地承受这些应力。

　　限制瞬态电流：应避免超过制造商规定的浪涌电流限制的电流，包括非常规事件引起的电流，例如电池或电源的热插拔、系统输出的短路故障等。在没有浪涌电流规范的情况下，建议使用值I max

　　遵守纹波电流/温度限制：纹波电流额定值通常基于使设备温度高于环境温度产生给定升高所需的纹波量。除了产生的波形会违反电压或浪涌电流限制的情况外，纹波电流限制是一个热管理问题。评估数据表纹波限制数字指定的测试条件，并根据实际应用条件调整这些限制。

　　用于聚合物和湿钽

　　当它们确实发生故障时，钽聚合物电容器往往会变成一个热电阻，而不是迅速膨胀的热气体和弹片云。由于这一点以及组装引起的缺陷风险降低，他们的应用经验法则稍微简单一些：将电压降额 20%，遵守推荐的纹波电流限值，并在高温下遵循制造商推荐的降额时间表。对于湿钽，能够证明部件成本合理的应用类型也可能需要逐个部件地对系统进行详细的可靠性分析，从而使经验法则不如在其他应用中可能有价值. 因此，建议采用 20% 的标准降额系数，并建议用户注意这些设备中常见的相对较低的频率响应特性。

　　什么是氧化铌电容器?

　　图 19：氧化铌电容器。

　　设备构造和显着特征

　　氧化铌电容器在结构上类似于钽和二氧化锰 (Ta/MnO 2 ) 器件，使用烧结氧化铌 (NbO) 代替金属钽作为阳极材料。主要由 AVX 生产，作为 Ta/MnO 2电容器的替代品，这种电容器不会在发生故障时发生严重的爆燃倾向，并且还具有改善原材料供应物流的潜力，氧化铌电容器与钽聚合物器件竞争各种的应用程序。氧化铌电容器的结构类似于 Ta/MnO 2器件;阳极材料由高度多孔、海绵状的铌(一)氧化物(NbO)组成，其上有一层铌(五)氧化物(Nb 2 O 5) 建立起来，并在其周围建立二氧化锰对电极，其方式类似于常见的 Ta/MnO 2设备。基于铌金属(而非氧化物 NbO)和聚合物电解质技术的电容器也已开发，但在撰写本文时尚未大量生产。

　　图 20：在撰写本文时 Digi-Key 提供的氧化铌电容器的电容值与额定电压关系图。

　　为什么是铌?

　　千禧年之交需求旺盛导致钽供应短缺，导致钽电容器在一个季节成为稀有且昂贵的物品，导致生产难题，从而推动了基于铌的设备的开发。相对于主要用于电子工业的钽，铌在自然界中的含量估计高出 20 倍左右，并且还广泛用作钢铁生产中的合金元素，其用量远大于电子工业所需的量目的。在开始时有更多的材料和电子行业不是它的主要买家之间，原材料的长期供应前景被认为有利于铌而不是钽。

　　应用优势和劣势

　　氧化铌/二氧化锰电容器与钽电容器相比具有显着优势，因为它们在发生灾难性故障时通常不会点燃。这归因于与钽相比，点燃氧化铌所需的能量要大得多，以及二次自愈效应，其中暴露在故障部位的氧化铌阳极材料被进一步氧化成导电性较低的状态。在这两种效应之间，据说经历灾难性故障的氧化铌电容器的行为是 Kohm 范围内的高阻抗短路;一个足够高的值以防止由此产生的故障电流提供足够的能量以在额定电压下点燃设备。相对于Ta/MnO 2器件，NbO/MnO 2目前的电容器在性能方面有点落后，仅限于 10 V 或更低的额定电压，泄漏电流大约是钽电容器的两倍，单位体积的电容略低，以及超过 85°C 的更高温度降额。另一方面，“不会起火”是一个非常好的特性，更好的原材料可用性问题提供了降低成本的希望。尽管解决烟火电容器问题的钽聚合物方法似乎越来越受欢迎，但据说氧化铌技术在长期使用寿命和环境耐受性方面仍具有优势，特别是在高湿度应用中。如果没有其他原因，它是一项有趣的技术，仅仅是因为通过销售和

　　应用注意事项

　　氧化铌电容器的耐火特性允许基于 NbO 的设备相对于其基于钽的对应物具有更积极的应用。虽然使用 Ta/MnO 2电容器进行设计的经验法则是将电压降额 50%(如果串联电阻非常低，则降额更多)，基于 NbO 的设备 (AVX) 的领先制造商建议降额仅 20% 的电压足以安全运行。超出这些水平的额外降额可以显着提高两种设备类型的长期可靠性。此外，由于器件的内部结构和固态 MnO 2电解质的热机械特性得以保留，因此建议氧化铌电容器的用户注意组装过程引起的潜在故障。

　　什么是硅和薄膜电容器?

　　图 21：各种封装形式的硅和薄膜电容器。(不按比例)

　　设备构造和显着特征

　　硅和薄膜电容器是一种相对较新的设备，使用从半导体行业借来的工具、方法和材料生产。这些技术提供的对结构和材料的精确控制使生产的电容器具有出色的参数稳定性、最小的 ESR 和 ESL、广泛的工作温度能力，并且与 1 类陶瓷类型设备相比具有更好的单位体积电容他们最直接地竞争。它们的主要缺点包括成本高，以及相关的可用电容值范围相对有限。通常基于氧化硅/氮化物电介质，“薄膜”和“硅”电容器之间的区别在某种程度上是一种营销让步，尽管内部和内部存在显着差异 两者之间取决于预期的应用。针对 RF 调谐和匹配应用的设备往往是低电容单层设备，针对参数稳定性和一致性进行了优化，并且通常采用标准 JEDEC 封装尺寸。相比之下，用于电源去耦、宽带直流阻断和类似应用的器件允许更大的公差，有利于实现更高的比电容，并且更有可能在适应先进组装方法(例如引线键合或嵌入在印刷电路板。然而，无论预期应用如何，薄膜和硅电容器系列中的器件都是高性能产品，并且价格相应，在撰写本文时，价格是具有类似电容和电压额定值的陶瓷设备价格的 5 到 5000 倍左右。设计为高精度设备的部件主要与基于 C0G (NPO) 电介质的陶瓷电容器竞争，作为射频和微波应用的更高性能替代品。虽然这些 I 类陶瓷器件非常好，并且经过几十年的改进，它们本身也接近理想状态，但制造特性的差异使得薄膜/硅器件在器件和制造批次之间的一致性方面要好一些。更高容量的薄膜/硅电容器与基于 X7R 和 X8R 电介质的 II 类陶瓷更直接地竞争，用于去耦和宽带直流阻断应用。为了这些目的，

　　图 22：硅和薄膜电容器的电容值与额定电压的关系图。

　　什么是微调电容器和可变电容器?

　　图 23：各种样式和封装类型的微调和可变电容器。(不按比例)

　　设备构造和显着特征

　　微调电容器和可变电容器是提供在一定范围内可变电容的设备，这两个术语之间的差异主要是设计意图之一;“微调”电容器在其使用寿命期间通常只需要调整几次，而“可变”电容器需要进行常规调整。使用了许多不同的结构类型，但几乎没有例外，它们属于静电类型，并通过改变电极之间的有效表面积、它们之间的距离或两者来实现其可调节性。

　　图 24：在撰写本文时 Digi-Key 提供的微调电容器和可变电容器的电容值与额定电压的关系图。

　　一种常见的设计方法类似于共用轴上的两个小轮子，每个轮子上镀有半圆形(或类似形状)的电极材料。通过改变两个“轮子”相对于彼此的旋转角度，可以改变它们之间的有效电容。除此之外，根据给定应用的需要，改变每个“轮子”上电极的形状可以在旋转调整角度和设备电容之间产生不同的关系。该方法的一个变体可能涉及使用蜗轮或类似的机械装置来改变两个“轮子”的相对旋转，以便在设备的变化范围内提供更高的调节分辨率。其他设计包括可变活塞电容器，它通过改变同心圆筒之间的重叠程度来工作，

　　常见用法和应用

　　微调电容器和可变电容器通常用于射频电路中的调谐和匹配应用。通过将机械指示器扫过刻度(或反之亦然)来指示所选调谐频率的无线电接收器通常在指示器和调谐电路中使用的可变电容器之间具有机械连接。大多数此类接收器采用较旧的老式或较低成本/质量设计，但现代应用可能仍包括用于微调或校准目的的微调电容器。另一方面，可变电容器(设计用于频繁调整的那种)是一种濒临灭绝的物种。使用由更好的制造公差和更新的技术实现的替代设计技术，使特有的笨重、漂移、机械笨重，

　　常见故障机制/关键设计注意事项

　　可以在微调器和可变电容器中发现的器件结构的广泛变化排除了本文对它们的具体优点和缺点的扩展讨论。然而，如果考虑静电电容器背后的基本原理，通常可以通过观察来辨别给定设备的优点;任何影响电介质、电极几何形状或电极定位的因素都会影响器件电容。例如，空气电介质设备在给定设置下会随着大气压力、温度和湿度的变化而表现出电容变化，因为所有这些因素都会在很小程度上影响空气的介电常数。同样，真空介质电容器也会受到泄漏或真空损失的影响。从机械的角度来看，最终组件的刚度会影响电容在机械冲击或振动方面的稳定性，调节机构的设计也会影响随时间漂移的趋势。电容器快速参考指南 下一页的表格提供了不同电容器类型及其相对优点的简要总结，大致按照每种类型提供的电容数量减少(或质量增加)排列。

　　图 25：电容器快速参考指南。