电容Q值、损耗角、应用

电容发热的主要原因：纹波电压

当电容两端施加纹波电压时，电容承受的是变化的电压，由于电容内部存在寄生电阻（ESR）和寄生电感（ESL）.因此电容会有能量损耗，从而产生热量，这一过程就是电容的自发热过程。电容的自发热大小与纹波电压的频率有关。

电容的等效阻抗Z在谐振频率处最小，谐振频率点之前电容呈容性，谐频率点之后电容呈感性，即在频率很高，超过电容的谐振频率时，电容就不再是“电容”了，此时的能量损耗主要由电容的ESL引起。所以.低ESR.低ESL的电容在高频时发热少

纹波电压造成的发热量是DC漏电流造成的发热量的1000倍，所以，正常情况下DC漏电流造成的发热可以忽略不计

电容的Q值与损耗角

Q值即品质因数，表征储能器件（电容、电感等）或储能电路（谐电路等）在一个周期内所存储的能量与所消耗的能量的比值，是一种质量指标，器件或电路的Q值越大，则该器件或电路的性能越优，Q值可以采用如下方法来表示，即Q=无功功率/有功功率，也可以采用如下方法来表示，即Q特性阻抗/回路电阻，Q值越大，损耗越小，效率越高：Q值越大，谐振器的频率稳定度越高，谐振器的振荡频率越高。

Q值和ESR有什么关系？

我们经常用Q值或ESR来评估高频电容的性能。完美的电容应该表现为ESR为0欧姆，纯容抗性的无源元件，任何频率的电流通过电容时都会比电压早90°的相位。但实际电容其ESR值是随着频率变化而变化的。下面分析典型电容的不理想模型

C为电容，Rp为绝缘电阻和介质损耗，ESR为等效串联电阻.ESL为等效串联电感。电容的导电电极的结构特性和绝缘介质的结构特性决定了其ESR，为了便于分析，把ESR按单个串联寄生单元来建模，以前所有的电容参数都是在1MHz的标准频事下进行测试，但随着应用频率越来越高，1MH的条件已远远无法满足实际应用的需求，为了指导应用，典型的高频电容参数应该标注各个典型颗率下的ESR值：200MHz，ESR=0.04Ohm；900MHz，ESR=0.10Ohm；2000MHz，ESR=0.13Ohm。电容的Q值是一个无量纲数，数值上等于电容的电抗除以ESR，由于电容的电抗和ESR都随频率变化.因此其Q值也随频率变化

Q值等于电容的储存功率与损耗功率之比，可用式（2.38.1）和式（2.38.2）来表示，即

为了便于解释Q值对高频电容的重要性，下面先讲述一个概念：自谐振频率

在RLC串联电路中，当虚部等于0时，阻抗最小，发生串联谐振。

RLC串联，通过的电流是一样的，只是L和C上的电压相等，方向刚好相反，相互抵消。

Q称为品质因数，在谐振时LC串联之路对外相当于短路，但当Q值很大时，会在电感和电容两端出现大大高于外施电压U的高电压。

如果忽略电极间的泄露，即Rp的阻抗无穷大（或远远大于ESL和ESR的阻抗），那可以等效为RCL串联三元模型。

小于自谐振频率时，电容呈电容特性；大于自谐振频率时，电容发生极性转化，呈现电感特性。相位从-90°跳变到+90°。

什么是电容的损耗角？损耗角与Q值有什么关系？

在电场力作用下，电容在单位时间内消耗的能量称为电容损耗，用有功功率表示。仅用有功功率并不能表征电容损耗特性方面的性能，还需考虑用所消耗的有功功率与它输送的无功功率的比值来表征电容的损耗特性，这一参数称为损耗角正切，根据损耗因数D的定义（D=1/Q）可知，D值是Q的倒数。D值又称为损耗角，其大小与电容的内阻有关。由于电解电容的内阻较大，因此D值较大，为0.24以下，塑料薄膜电容则D值较小，D值的大小由电容的材质决定，为0.01以下，陶瓷电容的D值大小由其材质决定，Ⅰ类和类MLCC为0.025以下：Ⅰ类MLCC的D值很小，所以用D值的倒数Q值来表示，Q值大于400

39电容有哪些作用？

电容特性：通交流，阻直流：通高频，阻低频

一个电容使用的误区，即电容的容值越大滤波效果越好。其实并不是这样的，简单地说，就是大容值电容滤低频噪声，小容值电容滤高频噪声。

电容的工作过程，实质上就是充电和放电的过程。以电容不存储任何电量为初始状态，大容值电容在电路中要达到电压平衡，需要充入的电荷量越多，需要充电的时间就越长，只能对低频噪声有效滤波，无法满足高频噪声的滤波要求，达不到滤波的目的，这时就要采用小容值电容。小容值电容的充放电时间短，能够达到滤波的目的，总之，滤波的频率随电容值的增大而降低。所以，在使用时要根据电路的需要选取合适的容值，以达到想要的滤波目的，同时又减少成本在电路中最常见到的电容使用方法是去耦电容和旁路电容，作为无源元件之一的电容，其作用不外乎以下几种：

从理论上来说（假设电容为纯电容），电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高，但实际上电容都有电感成分，所以阻抗会随着频率的升高面增大，比如电解电容有很大的电感成分，所以有时会看到，一个电容量较大的电解电容并联了一个小电容

电容的应用

电容应用于电源电路，主要起到滤波，旁路，去耦和储能的作用

1.滤波：这时大电容通低频，小电容通高频。电容越大低频越容易通过，电容越小高频越容易通过；2.旁路：消除外部干扰对自身的影响。3.去耦：消除自身对外部的干扰；4.储能：电容对电路进行充放电

电容应用于信号电路，主要起到耦合，振荡/同步及时间常数的作用

（1）耦合。例如，晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端，形成了输入/输出信号耦合，该电阻就是产生了耦合的元件。如果在该电阻两端并联一个电容。

（2）振荡/同步，RC、LC荡器及晶体的负载电容都属于振荡/同步的范畴

（3）时间常数，在RC充放电电路中，电阻R和电容C的乘积就是时间常数。i与RC的关系

射频电路的耦合和去耦电路中要考虑好Q值问题。

电容的寄生参数如何影响电路

设计普通电路时，通常关注的是电容的容值，耐压值，封装大小，工作温度范围，温漂等参数。高速电路或电源系统中及一些对电容要求很高的时钟电路中，电容已经不仅仅是电容，面是一个由等效电容，等效电阻和等效电感组成的电路，其简单的结构如图所示

C为所需电容.Cp为等效并联电容，ESR为等效串联电阻.ESL为等效串联电惑，

不仅要关注前面提到的那些参数，还要关注在特定频率下的等效参数。以muRata的1uF的电容在谐振频率点时，对应的等效电容为602.625nF，等效电阻为11.5356毫欧，等效电感为471.621pH。理想电容和实际电容会呈现出不同的性能。

在工程实践中，很多工程师看到参考板设计或其他工程师设计的电路板中有很多电容.就认为自已的产品照搬他们的设计就一定不会出问题。其实并不是如此，因为产品应用不同，结构也有可能不同.这就可能使得产品设计的PCB层叠不同，通流平面也不同，而这些都会引起电源系统的不一致在电源系统设计中，通常都会有很多类型的电容存在，如一个电源系统中会有100uF、47uF、22uF、10uF、1uF、0.1μF等类型的电容，这么多类型的电容是否可以统一为某一种类型的电容呢？

电路中使用相同类型的电容，则虽然阻抗更小，但是去耦频率范围乎没有变化：如果使用不同类型的电容，则可以增大去耦频率范围。