在工程中，我们经常采用数百种思维捷径，以便将我们所处理的主题的复杂性保持在可管理的水平。

如果我们每次闪烁LED时都要运行一个量子物理模拟，我们将永远无法完成任何事情。然而，这些捷径和经验法则中的许多都是在过去创造的，当时电子工业与现在完全不同。

今天，我们将要忘记什么是电容器。此外，我们将讨论如何使用电容器，通过考虑当代电子产品。

电容器不再是什么了

一个常见的假设是电容器的主要作用是储存电荷，就像一个水桶里装满了一个杯子，同时又用另一个杯子倒空了。

如果你曾经讨论过“电流是否流过电容器”，并且更多地转向政治而不是物理，你知道当涉及交流电流时，典型的类比没有多大意义。电容器仅仅是两个被电介质隔开的导体，在解释电容器特性的基本物理解释中，你找不到一个解释你应该如何处理它的解释。

储能只是电容器的众多用途之一，就像滤波、整形或改变电信号和阻抗一样。我们倾向于认为这是它的主要用途，因为它是在直流电和威廉·吉尔伯特的验电器（发明于15世纪）的黎明时首次使用的。

电容器的作用

像去耦和旁路电容器这样的术语经常可以互换使用——我自己也犯过无数次这个错误。

与ESR系列不同的电容器（如等效电容器、串联电容器等）需要不同的电容器参数（如等效电容器、串联电容器等）。

电容器有不同的名称，不仅基于它们的技术（陶瓷、电解），而且基于它们的作用。

以下章节包含了电容器扮演的一些最常见的角色。

图1.现代电子板上的电容器。如果你仔细观察，你会发现不同种类的电容器在不同的子电路中用于不同的角色。迈克尔·吉耶季奇摄

旁路电容器

旁路电容器的作用是将射频（相当高频率的交流）能量从电路板的一部分传输到另一部分。正如你刚刚读到的，没有任何关于存储的讨论。没有！旁路电容器是关于传导的，而不是存储。

要做到这一点，必须仔细选择电容器，使其在感兴趣的频率下具有尽可能低的阻抗。这可以通过使其自谐振频率与射频信号尽可能匹配来实现。

自谐振频率是电容器的电容和寄生电感共振的频率，电容器的阻抗最小。在数学上，只剩下等效的电容。

对于高于自谐振频率的频率，电容器开始越来越不像电容器，而更像是电感器。

图2.各种电容器的频率阻抗，由Elcap和Jens提供

注意什么

当使用旁路电容器来控制电磁辐射时（尤其是在试图绕过地面时），最常见的一个错误就是将它们的位置限制在我们想要解决的噪声源上。

在直流电中，这是有意义的：使信号尽可能靠近电源短路，使其值尽可能低，使短路（电容器）和电源之间的电阻（阻抗）最小化。

在交流领域，尤其是射频领域，由于电信号的波动特性，噪声源附近区域和接地层其余部分之间阻抗的快速增加可能是反射源。这也可能发生在记录道上，因为通孔的高阻抗可以反映射频能量。

这就是反射：由于阻抗不匹配而反射的能量。同样，这与传统的“未端接线路反射的能量”的描述相冲突，后者只是部分正确。

当使用旁路电容器时，你应该试着通过在电路板上分布电容器来降低电源和接地层的阻抗。根据您想要寻址的频率、层叠和PCB的介电材料，您可能需要考虑在微微法拉到纳米法拉范围内的电容器。

去耦电容器

线性稳压器，如无处不在的7805有一个内部反馈回路，比较输出电压和参考电压，并相应地调节电流，以保持稳定的输出。

理论上，线性稳压器可以在没有外部电容器的情况下使用——至少如果我们忽略了自感生振荡的任何问题。为了获得稳定的输出，所需的电流需要以足够慢的转换速率变化，以便线性调节器跟随。考虑到它们大多是建立在80年代早期的BJT技术上，这些转换速率一点也不快。

图3典型7805型线性调节器的内部示意图示例

类似地，开关DC-DC变换器有一个基本的开关频率，并且不能比这个频率更快地调节输出。

许多现代数字设备产生的电流瞬变频率成分高达数百兆赫，远远超过任何调节器所能遵循的（除非我们谈论的是异国的激光二极管驱动器）。

去耦电容器工作在由直流电源电路调节的稳定电压和现代数字设备的间歇性电流消耗之间的临界值。

当遇到电流峰值时，即使电源和设备之间的阻抗很小，也会很快导致电源电压超出可接受范围。

去耦电容器起到临时局部储能的作用，有效地降低了几兆赫到几百兆赫之间的源阻抗。

对于超过数百兆赫的频率，大多数贴片电容器表现出高阻抗且无效，因此需要采用层堆埋电容等技术。

注意什么

去耦电容器只在相对较窄的频带内有用，这主要是由于其寄生特性的限制。

要注意的主要参数是，再一次，自共振频率。去耦电容器仅在低于自谐振频率的频率下有效。

在选择要使用的电容器时，以下拇指规则通常很有用：

• 直流至~Khz：无需电容器，电源可自行维持。
• ~Khz至~Mhz：电解电容器的高值有利于较低的频率范围，但其高串联阻抗会导致较低的自谐振频率，从而限制了其性能。在兆赫范围内，许多电解电容器已经具有很强的感应性。
• ~Mhz至200Mhz：陶瓷电容器，取决于电介质、封装尺寸和建筑技术，通常覆盖该范围。
• 200Mhz以上：陶瓷电容器开始失效。在这种情况下，最好使用埋电容技术。

大容量电容器

大容量电容器用于在缺少电源线周期期间保持电压稳定，并支持峰值电流需求，通常是电解电容器，因为这一作用需要高容量。

把它们想象成小巧可爱的圆柱形UPS（不间断电源）。

他们没有教你关于陶瓷电容器的知识

陶瓷电容器无疑是当今电子工业中最典型的无源元件，其体积电容的提高速度与硅中晶体管的密度相当，使现代高密度设计成为可能。

它们的确是科技的奇迹，但它们也有一些你应该注意的怪癖。

越小越好

陶瓷是一种很好的材料，但也很脆。陶瓷电容器可能会因PCB板弯曲而破裂，例如在装配较大的公猪（或面板）时，将v形切割板不恰当地分开，或产品在运输过程中操作不当。

弯曲开裂是一种危险的现象：如果电容器用于高电流的电力线上，它通常会短路故障并引发火灾。

与普遍的看法相反，较小的电容器具有优越的电气和机械性能。它们不太可能破裂，而且有更高的自共振频率。

如果您的产品在机械应力下需要高可靠性，有一些技术可以用来减少这种故障。

• 放置电容器时，不要使长边与电路板弯曲方向相同。
• 使用更小的电容器，比如0402
• 使用不会在压力下短路的软端接电容器和/或X2/Y2额定陶瓷电容器
• 绕着电容器走线，以减轻机械应力
• 假设你选择了断开的电容器，那么至少两个并联使用，这样当其中一个断开时，你的电路可能有足够的电容继续正常工作

电介质数量，很多

C0G，X7R…电介质有着奇怪的名字和混杂的特性。当他们的特点在这里闪耀。

• C0G/NP0：这是市场上最炫的陶瓷电容器。通常情况下，它们可从1pF到100nF，公差为5%。NPO代表正负零，电容系数图的形状，在温度范围内看起来平坦。当需要精确的值和稳定性时，你应该使用它们。
• X7R：现代的主力军。它们具有优良的电压和温度系数，在100pF和22uF之间很受欢迎。它们在去耦应用中应用最广泛，温度范围很广-55°C至125°C。
• X5R：与X7R相似，但额定值为85°C而不是125°C。
• Y5V：可达到极高的电容值，但具有较低的电压和温度额定值（最大可损失82%的电容）。
• Z5U：与Y5V类似，Z5U电容器的电压和温度性能较差，价格极为便宜。评级仅为-10°C。仅用于低成本消费类设备去耦。

注意什么

用不同的介质匹配电容器会导致意想不到的结果。

例如，Z5U电容器非常便宜，使用钛酸钡介质。这种材料具有很高的介电常数，使电容体积比非常好，自谐振频率通常在1兆赫至20兆赫之间。

NPO在10Mhz以上的频率下表现更好，那么为什么不混合和匹配它们以获得更宽的频率性能呢？

不幸的是，当Z5U和NP0电容并联时，较高的介电常数材料会抑制NPO的谐振频率，而这两者的结合会导致整体性能比仅质量好的Z5U更差。

介电吸收

如果你缩短了一个充电电容器的输出，你会发现自己的工作台上坐着一个完全放电的电容器，用悲伤的眼睛盯着你。然而，情况并非总是如此。除了真空电容器之外，几乎所有的电容器都在放电后保留部分电荷。

这种现象的发生是因为随机取向的分子偶极子在电场的作用下随着时间的推移而排列，即使在没有电场的情况下，它们新发现的取向也会保持不变。

陶瓷电容器可以保留0.6%的充电电压NP0和2.5%的X7R。

电压依赖电容

Y5V电容器在额定电压下可损失高达82%的电容，而NP0电容器的响应几乎平坦。
如果你有应用，你必须改变输出电压，例如通过可配置的电压源所要求的USB-PD标准马克哈里斯在他的最近的文章，你可能会发现自己的电路性能明显不可预测。