相对介电常数越大？相对介电常数

电容知识合集

内转载自加油射频工程师

世界上第一个电容器，在莱顿城发明，所以称之为莱顿瓶。

莱顿瓶就是一个玻璃瓶，玻璃瓶的外侧和内侧都有锡箔，内部锡箔通过金属链连接到瓶口。锡箔就相当于两个平板，通过玻璃瓶隔开。

刚开始，科学家们以为是封闭的瓶子存储了电荷，后来发现，就算只有两块平板，只要让他们不接触，就能储存电荷。

(1)电容的定义

其中，E是指两平板间的电场，d是指两平板间的距离，A是平板的面积，σ是指平板上单位面积上的电荷。

电容定义为有限电势差下所能容纳的电荷量。

所以，我们可以了解到：

平板的面积越大，电容也越大。这符合我们的直观理解，平板面积越大，能储存的电荷就越多。d越小，电容越大。这可以这样理解，两板上正负电荷之间的吸引力越大，就能容纳更多的电荷。库仑定律告诉我们，两个电荷之间的作用力与两者之间距离的平方成反比，所以d越小，吸引力越大。两板之间填充介质材料，可以增加电容量。两板上的正负电荷会在两板间产生电场，如果两板间有介质材料，则介质材料就会被电极化。介质中产生与原来电场方向相反的场，电容中间的总场变小，两板间的电势差变小，电容变大。

(2)电容的工作原理

在电容的两端，加上一个电池。因为电子总是流向高电势，所以当电池连通时，电势低的导电平板上的电子就会被吸引走，而另一平板上则会吸引电子。因此，平板中一端开始带正电荷，另一端开始带负电荷。

当电容两端的电势分别和电池两端的相等时，电子的运动停止，此时电容的两端平板分别带有同等容量的正电荷和负电荷。

为什么是同等容量呢？是因为电荷守恒定律，就是说，电荷总量永远保持不变，一个物体产生负电荷，同时，肯定在其他地方有同等量的正电荷产生。

再从宏观上来看一下这个过程：

在往电容两端施加直流电源的瞬间，会有电流通过；而当电容两端的电势差等于直流电压时，电流为0，此时电容充电完成。电容充电完成后，拿走电源。由于正负电荷之间的电场力的作用，加上两板之间的介质材料，电子无路可去，正负电荷依然待在平板上，这个现象，即为储能。l电容的两端加一个负载，此时，电子会沿着这条新路径，流经负载，去正电荷那。等到同等容量的正负电荷中和为中性粒子时，电容两端的电势差变为0，电容放电完成。

当给电容两端加一交流电源时，电子则不断地重复这样一个步骤：

从平板1流向电源，从电源流向平板2；从平板2流向电源，从电源流向平板1，电路中会产生交流电流。电子没有通过平板间的介质内部，而是在外部电路上运动，产生交流电流，这个现象，即为电容能通交流。

电子的运动，导致平板中的电荷发生变化，Q=CV=CEd，导致平板间的场发生变化，即表征为位移电流。

(3)电容的Q值

电容的Q值公式如下图所示：

Q值一般是指电路中存储的能量与消耗的能量的比值。所以就很容易理解上述的公式。一般电抗储存能量，电阻消耗能量。

从上面的公式中，可以得到以下几点结论：

ESR为0时，Q值为无穷大，而理想电容没有ESR，所以其Q值无限大Q值与频率和容值均相关，比较两种电容Q值时，需频率和容值均一致，才有可比意义固定容值的电容，其Q值随频率升高而降低

(4)电容的DC偏置特性和温度特性

电容的DC偏置特性，是指在电容上施加直流电压时，电容的容量会减小。

电容的温度特性，是值温度变化时，电容的容量也会发生变化。

在LDO的手册上，会对其的输出电容的容值有规定，以避免振荡。

所以，在选择电容时，要考虑其温度和DC-bias曲线。

比如说村田的GRM21BR61D106KE15，发现其容值在有直流电压的情况下，几乎是成线性下降，10uF的电容，在DC bias为12V的时候，降到2uF。

以上两种特性，比较严重的，一般是使用高介电常数钛酸钡(BaTiO3)的陶瓷电容器；而使用低介电常数的二氧化钛(TiO2)的陶瓷电容器，则容值受温度和直流电压影响都比较小。

要知道所选型电容的这两种特性，可以去厂家的官网上去查看。一般手册上也会有相应的曲线。

村田的选型工具上，也都有这些曲线。

(5)电容值的频率特性

在村田的选型工具中，会发现电容的值，随着频率的升高而增大。发生这个现象的原因，主要是电容的寄生效应，上图中的电容值，是指器等效电容值。

所以，由于寄生电感的存在，随着频率的升高，C会逐渐变大。

(6)陶瓷电容的实际制作

由电容的定义可知，要获得大的电容值，就需要在3个方面下功夫，分别为平板面积A，平板间的距离d，填充介质的介电常数ε。

而陶瓷电容则是在这三个方面下足了功夫：

其内电极两两交叉，显著增加了接触面积A内电极之间的距离很小，降低了d填充高介电常数的介质，增加了ε

比如说，村田使用的介电材料钛酸钡(BaTiO3)，其相对介电常数提高到了3000左右，而介质厚度已经达到了0.5um。虽然这种材料温度特性和DC-bias特性稍差，但是其容值可以做的很高，因为3000的介电常数在那。

为了制作出一个陶瓷电容，一般需要以下几个步骤：

对卷状介电体板涂金属焊料，以作为内部电极。不同层的内部电极，需要错位，要不然加上外电极后，会短路。这边的金属焊料就相当于PCB板的铜皮，介电体板相当于中间介质将涂完内部电极的介电体板重叠在一起把层叠板压合在一起把压合完的层叠板按封装要求切割成相应尺寸用高温(1000~1300度)对切割完的料块进行焙烧，使陶瓷和内部电极成为一体料块两端涂金属焊料，作为外部电极，并用高温(800度)烧结外部电极表面电镀镍和锡测量电容的电气特性，包装

(7)电容的焊接问题

电容尺寸开始越来越小型化，现在最小的已是01005,尺寸只有0.4mm×0.2mm，比芯片管脚还要小。

在电容贴装的时候，经常会发生偏移，翘立或者竖立的现象。这些现象，通常是由于作用于左右两边电极的张力不平衡。

左右焊盘的尺寸不一致，或者左右焊盘上的锡量不相同，或者贴装机贴装的元器件位置偏移严重，或者回流焊时左右两极的温差不一致，这些都会造成左右两边电极的张力不平衡。

所以，我们在使用电容时，需要做到：

PCB设计时，按照推荐的电容封装尺寸进行设计，并保证两边的焊盘对称；焊锡越厚，对电极的张力越大；所以在保证可靠性的前提下，尽量减少焊锡用量，并保证左右焊盘上的锡量一致；尽量保证贴片精度；按照推荐的回流温度曲线，合理设置预热段，减小炉内的温差；

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