聚合物电容与MLCC电容对比

转载自：murata

传统电解液的铝电解电容器（罐状）或者使用了二氧化锰的钽电解电容器是相对而言比较便宜，但是在频率特性、温度特性、使用寿命和可靠性方面来说要劣于聚合物电容器。

我们将图1所示的6种型号的电容器的特性做一个比较。本回将红框框出部分的特性做一个比较。统一使用的是6.3V/100uF。

一般来说电容器的ESR和阻抗越低，实际电路中的平滑特性和瞬态响应特性就越好。MLCC的ESR和阻抗都是最低的，其次是多层型聚合物铝电解电容器（村田ECAS系列）、其他的聚合物电容器，钽电解电容器（二氧化锰型），铝电解。

MLCC的电解质的钛酸钡和电极是多层的，在等价电路上一层一层的并联连接，因此能够使ESR很低。ECAS也不像MLCC，因为有多层的铝元素，所以能使ESR变低。其他的电容器基本上只有一个电容器元素，因此ESR值都相对较高。

下图通过纹波电流来表示电容器的发热特性。温度上升越困难说明电容器的特性越优良。发热的程度相对的也是ESR和电容器的体积引起的，过热的话会对可靠性和使用寿命产生影响。比如说，温度上升10℃的话，比较能有多少电流流出的话，ESR最低的MLCC流出的纹波电流肯定是最多的。接下来是多层型聚合物铝电解电容器（ECAS系列），其他的聚合物电容器，铝电解（液状），钽电解电容器（二氧化锰型）。

因为一般来说MLCC的发热量很小，因此不太会被作为规范来保证，包括聚合物电容器在内的电解电容器是无法避免这种影响的，因此一般会对每个种类都有规定。

接下来，下图是静电容量的温度特性。全固体的聚合物电容器，二氧化锰型钽电解电容器即使是温度变化时静电容量也并不会发生太大变化，常规铝电解电容器使用的是电解液，因此在低温下很难出现静电容量。MLCC也会因为使用的电介质的种类不同而导致温度特性有差异，有静电容量的温度依存性。ECAS的温度特性很稳定，因此无须太过担心使用环境，可以放心使用。

最后，下图所示是DC偏置特性的比较。包含了聚合物电容器在内的电解电容器会由于施加电压也不会对介电常数产生变化，因此施加电压时容量也不会发生变化。即使施加额定电压静电容量也不会发生变化，这是电解电容器的优势。

MLCC使用的电介质也会有所区别，特别是使用高介电常数的电解质时，会因为施加直流电压而容易导致产生构造变形，因此静电容量的DC偏置依赖趋向于变高。

不同类型电容对比

表链接:murata

类型	铝电解	MLCC	钽	薄膜
电介质	氧化铝	几种陶瓷	五氧化二钽	塑料薄膜
优点	多种击穿电压和电容量	优良的高频特性无极性	小封装大且稳定的电容量	高击穿电平无极性
缺点	电解液泄漏会影响使用寿命。大封装尺寸极性	电容量会随电压和温度而变化。可能开裂/碎裂	可短路。有极性	电容量小封装种类少

电容的ESR与Q值

链接:murata

ESR

ESR（Equivalent Series Resistance）翻译过来就是“等效串连电阻”。
理论上，一个完美的电容，自身不会产生任何能量损失，但是实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗，各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串连在一起，所以就起了个名字叫做“等效串连电阻”。

ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。

比如，我们认为电容上面电压不能突变，当突然对电容施加一个电流，电容因为自身充电，电压会从0开始上升。但是有了ESR，电阻自身会产生一个压降，这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的，这会降低电容的滤波效果，所以很多高质量的电源都使用低ESR的电容器。

同样的，在振荡电路等场合，ESR也会引起电路在功能上发生变化，引起电路失效甚至损坏等严重后果。

所以在多数场合，低ESR的电容，往往比高ESR的有更好的表现。

不过事情也有例外，有些时候，这个ESR也被用来做一些有用的事情。

比如在稳压电路中，有一定ESR的电容，在负载发生瞬变的时候，会立即产生波动而引发反馈电路动作，这个快速的响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价，获取了后续的快速调整能力，尤其是功率管的响应速度比较慢，并且电容器的体积/容量受到严格限制的时候。这种情况见于一些使用mos管做调整管的三端稳压或者相似的电路中。这时候，太低的ESR反而会降低整体性能。

ESR是等效“串连”电阻，意味着，将两个电容串连，会增大这个数值，而并联则会减少之。

实际上，需要更低ESR的场合更多，而低ESR的大容量电容价格相对昂贵，所以很多开关电源采取的并联的策略，用多个ESR相对高的铝电解并联，形成一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB空间，换来器件成本的减少，很多时候都是划算的。

和ESR类似的另外一个概念是ESL，也就是等效串联电感。早期的卷制电感经常有很高的ESL，而且容量越大的电容，ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分，并且ESL也会引发一些电路故障，比如串连谐振等。但是相对容量来说，ESL的比例太小，出现问题的几率很小，再加上电容制作工艺的进步，现在已经逐渐忽略ESL，而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。

Q值

原文戳这里

品质因数 Q：表征一个储能器件(如电感线圈、电容等)、谐振电路所储能量同每周损耗能量之比的一种质量指标。元件的 Q 值愈大,用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。

Q 值越高，损耗越小，效率越高；

Q 值越高，谐振器的频率稳定度就越高，因此，能够更准确。

理论上，一个“完美”的电容器应该表现为 ESR 为零欧姆、纯容抗性的无阻抗元件。不论何种频率，电流通过电容时都会比电压提前正好 90 度的相位。实际上，电容是不完美的，会或多或少存在一定值的 ESR。一个特定电容的 ESR 随着频率的变化而变化，并且是有等式关系的。

这是由于 ESR 的来源是导电电极结构的特性和绝缘介质的结构特性。为了模型化分析，把 ESR 当成单个的串联寄生元。过去，所有的电容参数都是在 1MHz 的标准频率下测得，但当今是一个更高频的世界，1MHz 的条件是远远不够的。一个性能优秀的高频电容给出的典型参数值应该为：
200MHz ，ESR＝0.04Ω；
900MHz， ESR＝0.10Ω；
2000MHz，ESR＝0.13Ω。

Q 值是一个无量纲数，数值上等于电容的电抗除以寄生电阻（ESR）。Q 值随频率变化而有很大的变化，这是由于电抗和电阻都随着频率而变。频率或者容量的改变会使电抗有着非常大的变化，因此 Q 值也会跟着发生很大的变化。

Qc=(1/ωC)/ESR

自谐振频率(Self-Resonance Frequency)

由于 ESL 的存在，与 C 一起构成了一个谐振电路，其谐振频率便是电容的自谐振频率。在自谐振频率前，电容的阻抗随着频率增加而变小；在自谐振频率后，电容的阻抗随着频率增加而变小，就呈现感性；如下图所示：

随着频率升高，电容的不理想模型会更复杂：

典型的电容器件等效电路如图 1 所示。在这个等效电路中，容值 C 是最主要的部分，串连电阻 Rs 和电感 L 是由于器件管脚引线或电极产生的寄生参数。并联电容 Rp是反映电容两个管脚之间存在电容。

把以上寄生参数全部考虑之后，阻抗公式如上面公式。

由于这些寄生参数的存在，现实中而非理想中的电容器件的总阻抗由下面表达式中的实部和虚部两个部分组成：

如果可以忽略电极间的泄漏，即 Rp 的阻抗无穷大（或远远大 Ls(ESL) Rs (ESR) C 于相对于容值 C 的阻抗），那么上面的等效电路可以进一步简化为下面的 3 元模型(如图所示)。其中 ESL 为等效串联电感 Ls， ESR 为等效串联电阻 Rs。

根据这个简化的电路模型，可以得到电容器件总阻抗随频率变化的关系，如图所示。由于等效串联电感 LS 的存在，随着信号频率 f 的增加，电容 C 的容抗 XC 降低，而极性相反的等效串连电感 Ls 的感抗 XL 增加，在某一个频率点 f0，XC=-XL。此时电容器件的总阻抗|Z|=Rs，我们称此频率点 f0 为自谐振频率（SRF），小于 SRF 频率时，该器件成电容特性，反之大于 SRF 频率，器件发生极性转化，成电感特性（如图下图所示，红色相位曲线从 -90°跳变到+90°）。

Q 值相当于 D 值的倒数。损失角即 D 值: 一般电解电容器因为内阻较大故 D 值较高, 其规格视电容值高低决定, 为 0.1-0.24 以下 . 塑料薄膜电容器则 D 值较低, 视其材质决定为 0.001-0.01 以下 . 陶瓷电容器视其材质决定, Hi-K type 及 S/C type 为 0.025 以下 . T/C type 其规格以 Q 值表示需高于 400-1000.

注：XC=-j/(2πfC)；XL=j(2πfL)

根据损耗因子 D 的定义：D=1/Q=R/|X|>0 将前面的公式代入，得到：

如果可以忽略电极间的泄漏，即 Rp 的阻抗无穷大（或远远大于相对于容值 C 的阻抗），损耗因子 D 的计算公式大大简化为：

如果信号频率远远小于 SRF 谐振频率，则 X C >>X L , 即 X L 可以忽略，则公式进一步简化

即上面提到的：

由图可见，电容器的引线电感将随着频率的升高而降低电容器的特性。如果引线电感与实际电容器的电容谐振，这将会产生一个串联谐振，使总电抗趋向为 0W。由于这个串联谐振产生一个很小的串联阻抗，所以非常适合在射频电路的耦合和去耦电路中应用。然而，当电路的工作频率高于串联谐振频率时，该电容器将表现为电感性而不是电容性。

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【整理】电容知识小结(二)

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聚合物电容与MLCC电容对比

不同类型电容对比

电容的ESR与Q值

ESR

Q值

自谐振频率(Self-Resonance Frequency)

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