专题三：2.电容
写在前面的话：
此系列文章主要记录以下问题：
(1) 模拟电路设计
(2) MCU电路设计
…
学习笔记总目录：专题一(软件)、专题二(无刷直流电机)、专题三(硬件)
1.电容基础知识点
1.1.说明
在电源附近的有极性电容一般是作为滤波的作用。此时电容类似于一个大的水缸，进入水缸的水可能会有很大的波动(即纹波电流)，当流进水缸后，从水缸放水(放电)时，水比较稳定；即起到了滤波的作用。
储能和滤波一般是同时起作用的，先将电荷存储起来，然后再放电(此时的电压比较稳定)。
1.2.电容的单位与换算
- 法拉：电容能存储电荷量的大小。
- 常用的单位：
实际工程中一般不会用法拉，太大了；用得比较多的是微法电容，譬如几百微法，用得最大的可能是几千微法。 - 单位换算关系：
1.3.电容的容抗
电荷类比人，电容类比公交车；给电容充电的过程就类似于人往公交车挤的过程。
一开始，人上车的速度很快，随着公交车里面的人变多，上车速度也会变慢，公交车里面的人有一个种阻碍别人上车的力/情绪。给电容充电时，一开始充电速度很快，随着充电的进行，充电速度会变慢，即电容有一种阻碍电荷进来的力/作用，称为容抗。类似于电阻的阻抗。容抗越大，阻碍作用也就越大。
1.4.电容容值的大小和储能的关系
电容类似于水缸，容值越大，底面积也就越大。所以，1号和2号上升到同样的水平面，2号需要的水更多，需要注水的时间也越长；即电容的容值越大，充电到一个电压(5V)所需的时间就越长。
c = q / v
c(容值)类似于水缸的底面积，v(电容两端的电压)类似于水平面，q（电荷数）类似于水的体积。
1.5.电容的充电电压波形
公式：
注：V为电容两端的电压，Vin为充电电压；RC，表示的是时间常数，即电容充放电的快慢。这里的R一般指的是电源的内阻。
从上图可知，刚开始电容充电速度很快，随着时间的推移，充电速度变慢，最后持平。
1.6.电容的充电电流波形
1.7.电容的计算
电容的类似于水缸，一端在进水，一端在取水。
电容充电是有一定的速度的，如果此时有一个人来取水(一个负载)，那么进水和出水相互平衡，如果此时有一群人(多个负载)来取水，那么电容的电荷会供不过来。此时电容两端的电压就会出现波动(一会高一会低)。如果电容的容量越大，那么这种波动就会越小，供给负载的电压就会越稳定(不会随着负载的变多而抖动)。
所以，储能滤波电容一般越大越好(但越大的电容越贵，所以电容的选择很有讲究)。
我们希望使用电容后，能使负载接收到一个比较稳定的电压，也就是文波比较小，文波就是电压的变化范围，这主要受两个因素的影响:
1是充电电压的频率/周期。
2是电容容值的大小。
电容有蓄能的作用，也就是相当于一个水池，充电电压的频率表示的是对水池放水的频率，是隔10秒放一次水还是隔5秒放一次水，即充电电压的频率。充电频率越快，表示对电容的充电效果越好，相同条件下文波也会越小。如果电容容值很小，那么可能还没有等到下一次充电时间时，电容里面的电压(电荷量)就没有了，这样就会造成负载接收到的电压非常不稳定，所以如果电容是起储能或是稳压滤波的作用，那么电容容值越大越好，但是容值越大，价格就越高，所以电容容值的选择非常关键。电容的选取还与放电电流的大小有关。
电容的计算公式
说明：
a.Iout指的是电容的放电电流的大小，即电容后面电路的电流的大小。
b.▲v指的是从电容流出的电压的波动的大小，即文波的最大电压和最小电压的差值。要先自己指定好文波多大。
c.f指的是给电容充电的频率的大小。
注意：使用市电220V，在半波整流电路中，给电容充电的频率一般是50Hz；在全波整流电路中，一般是100Hz。因为半波整流电路只会在正半周期给电容充电，而全波整流电路在正半周期和负半周期都会给电容充电。相当于一个周期充两次电。
1.8.电容容值计算案例
要求电压波动不超过0.9V，f=54KHz，Iout=100mA，计算电容是多少？
注：乘以10的6次方是将法拉单位转换为微法。
1.9.电容和电阻功率与封装的问题
设计中常用的贴片电阻和电容的封装及对应的功率。
1210—1/2W 1206—1/4W 0805—1/8W 0603—1/10W 0402—1/16W
注：比较常用的是0805封装
2.极性电容
说明：该电容是有正负的，电源的正负不能接反了，否则会爆炸；可用作储能作用。
3.电容的标准规格
4.电容的使用经验(重要)
注释：1表示电解电容，它是有极性的电容；2表示瓷片电容，没有极性。
(1)在电源和负载之间一定要有一个电容用来储能滤波。
(2)如果负载的电流在150mA以下，这个储能电容一般选择220uF/330uF或是更大的。
(3)实际选取的电容一般会比计算得到的大10~50倍，譬如计算得到的是68uF，实际可能会使用680uF。因为电解电容的误差比较大，所以一般会选择比较大的。
(4)在电源附近的电容有储能的作用，还有滤波的作用，但是储能用的电容的容值一般比较大，所以一般它只能虑除低频波；因此在储能电容的附近还会加一个容值非常小的电容，用来虑除高频波。储能电容一般使用电解电容，而虑高频的电容一般是小的瓷片电容，一般选用104电容。
(5)在1uF以上的电容一般选用电解电容，因为电解电容的容量比较大，虽然精度不高，大容量的话只能选择电解电容；小容量的一般选择瓷片电容(一般是贴片式的也有插件式的)，瓷片电容的特点：容量小但精度高；瓷片电容和电解电容一般在电源部分配合使用。瓷片电容没有极性，电解电容有极性，有加号的一端一定要接正极，反接会使电源短路，电容会爆炸，瓷片电容一般用来滤高频波。
(6)瓷片电容的容值一般是：几皮法到几百纳法之间，譬如：33皮法、68皮法、47皮法、100皮法、200皮法、220皮法、 470皮法、860皮法、1000皮法=1纳法、2.2纳法、4.7纳法、10纳法(103)、47纳法(104)等等。当电源来了一个很高的电压脉冲(高的dv/dt，也就是电压的变化率很大，高的dv/dt会对后面的电路造成很大的电磁干扰)之后，就可以经过瓷片电容，从而不会对后面的电路造成影响。浪涌电流：高的di/dt；尖峰电压：高的dv/dt。一般选择104电容来滤除高频。
(7)电容的容抗=1/(2πfC)：f指的是电源的频率，C指的是电容的容值；频率越大，容抗越小。
(8)带宽：任何一个电路都是工作在一定的频率范围之内的，这个频率范围就叫做这个电路的带宽。大于或是小于这个带宽电路都可能不会正常工作。
5.电容的滤波作用的扩展
为什么电容可以滤波？当出现一个尖峰电压时，尖峰电压会立即对电容进行充电，当充完电之后，又会从电容的两端将电输出到后面的电路中，也就是输出到后面的电压是比较平缓的，即滤波作用。
当a处的电压是一个方波时(5V和0V)，当电流到电容处时，需要先给电容充电，电容的电压不能突变，电压从0V上升到5V需要时间，这段时间就是t3，t3=RC。t3也被称为滤波深度。
5.1电路中的电容的取值问题及电容滤波的原理
(1)说明：由于开关引起的尖峰电压的持续时间一般是1~2微秒，我们取5微秒，也就是在A处有一个宽度为5微秒的尖峰电压。
根据T=RC；R=1000；T=0.000005s；得C=5uF；但市面上只有4.7uF的电容，所以电路中的电容就取4.7uF，即为4.7微秒(滤波深度为4.7微秒)
(2)滤波的原理：如果在A点处出现了一个尖峰电压，它会给电容充电，但是电容两端的电压是不能突变的，即电压会慢慢逐步上升，从而达到滤波的效果，注意，不是尖峰电压从电容穿过来达到滤波效果的；主要是利用电容两端的电压不能突变这一原理来滤波的。
总结
在会产生尖峰电压的附近(电源的输出端)，要加一个大的电解电容和一个小的瓷片电容，用作储能滤波的作用，瓷片电容一般选择104电容。