片式電容器的一般電性能

在交變電壓的作用下，電容器并不是以單純的電容形式出現，它除了具有電容量以外，還存在一定和電感和電阻。在頻率較低時，它們的影響很小可以不予考慮；隨著工作頻率的得高，電感和電阻的影響不能忽視，嚴重時可能會使電容器失去作用。
因此，我們一般用四個主要的參數來衡量片式電容的一般電性能：電容量（Capacitance）、損耗角正切（Dissipation Factor）、絕緣電阻(Insulation Resistance)、耐電壓(Dielectric Withstanding Voltage)。
一、電容量（C）
電容量的大小表示電容器貯存電荷的能力。一般用HP電橋測試。兩層平行金屬極板中的陶瓷介質為什么能貯存電荷能？這是因為陶瓷介質具有一種特殊的物理特性：電極化（簡稱極化）。從電學的角度來看，一般導體，例如金屬和電解質，其原子和分子對周圍電子的束縛力很小，我們稱這些電子為自由電子（或叫自由電荷）。在電場的作用下，自由電子將沿電場力的方向作定向運動，形成電流。但在陶瓷介質中，原子、分子中正負電荷卻以其價健或離子健的形式存在，相互間強烈地束縛著，我們稱之為束縛電荷。在電場的作用下，這些正負電荷只能作微觀尺度上相對位移。由于電荷的相對位移，在原子、分子中就產生了感應偶極矩，我們稱之為極化。在外電場的作用下，偶極分子將沿電場方向定向偏轉，從而在陶瓷介質的表面形成相應的感應電荷。從而電荷就被貯存在電容器中。

圖4-片式電容器的極化圖
電容量的單位是法拉，但在實際應用中法拉的單位太大，一般采用毫法（mF），微法（uF），納法（nF）和皮法（pF）。它們之間的關系如下：
1F = 103mF = 106uF = 109nF = 1012pF
片式電容器的電容量除了由它本身的設計與材料特性所決定外，在很大程度下同它的測試條件、溫度、電壓和頻率有很大的關系。對于Ⅰ類電容器（COG），其電性能受上述因素的影響相對較小，但對于Ⅱ類電容器（X7R、Z5U、Y5V），其電性能受上述因素的影響相對較大。
1、 電容量與溫度的關系
溫度是影響電容器電容量的一個重要因素，我們把電容量同溫度的這種關系特性叫收電容器的溫度特性(Temperature Coefficient)。一般說來，對于較為穩定的Ⅰ類電容器，其影響相對較小，幾乎沒有變化，故我們用PPM/℃來表示它的容量變化率；對于Ⅱ類電容器，其影響相對較大，故我們用”％”來表示它的容量變化率。

2、 電容量與直流電壓的關系
在電路的實際應用中，電容器兩端可能要放加一個直流電壓，我們把電容器的這種情況下的特性叫做直流偏壓特性。目前直流偏壓特性較好的材料有BX。這種材料是在通過對X7R材料改性而得來。另外也可以通過增加介質厚度的方法，取得較好的電容器偏壓特性。

電壓/密爾介質厚度
圖7-偏壓與電容量變化率的關系
從圖可以看出，對于一個X7R和BX材質的產品來說，介質厚度基本正比于偏壓特性。比如，相同容量（100nF）的一個產品，三種不同的介質厚度設計就有三種不同的偏壓特性，介質厚度越厚，產品的偏壓特性就越好。

3、 電容量與交流電壓的關系
同樣，Ⅰ類電容器的交流特性比較好，基本不隨施加電壓的變化而變化。但是，對于Ⅱ類電容器，其容量基本是隨所加電壓的升高而加速遞升的，特別X7R此特性比較明顯。

在日常的測試中，我們一般是1.0±0.2V做為電容量與損耗角正切的測試電壓，電壓較低，因此，對于同一容量采用不同的介質厚度設計，最終所表現出來的容量值不會有太大的差異。但是，隨著工作電路中交流電壓的不同，這種差異會較為明顯。

4、 電容量與工作頻率的關系
對于Ⅰ類電容器其應用頻率的增加，它的容值不會有什么變化，但對于Ⅱ類電容器，容值下降較為明顯。現舉例如下：

圖9-電容量與頻率的關系曲線圖

二、絕緣電阻（ＩＲ）；
完全不導電的絕緣體是沒有的。在電介質中通常或多或少存在正、負離子，這些離子在電場作用下將定向遷移，形成離子電流，我們稱之為體內漏電流。通常，在電容器的表面，也會或多或少地存在正負離子，這些離子在外電場的作用下，會發生定向遷移，形成表面漏電流。因此，電容器的漏電流是陶瓷介質中體內漏電流與芯片表面的漏電流兩部分組成。我們把加在介質兩端的電壓和漏電流之比稱之為介質的絕緣電阻。
Ｒ＝Ｕ／Ｉ
由上可知，電容器的絕緣電阻等于表面絕緣電阻與體內絕緣電阻相并聯而成。因此，電容器的絕緣電阻除了同其本身所固所介質特性外，同外界環境溫度、濕度等有很大的關系。
溫度對絕緣電阻的影響主要表現在溫度升高時，瓷介的自由離子增多，漏電流急劇增加，介質絕緣電阻迅速降低。但防潮不好的小容量電容器表面漏電流較大，隨著溫度的升高，表面潮氣蒸發，表面絕緣電阻上升。
濕度對電容器電性能影響最大，會因表面吸潮使表面絕緣電阻下降。
三、損耗（ＤＦ）和品質因數（Q）
在外加電壓作用下，單位時間內因發熱而消耗的能量，叫電容器的損耗。理想的電容器把從電源中得到的能量，全部貯存在電容器有介質中，不發生任何形式的能量消耗，事實上電容器在外加電壓的作用下是要消耗能量的，介質漏電流，緩慢極化（電偶極矩在電場作用下發生偏轉），內外電極金屬部位的等效電阻都會消耗一部分能量，形成電容器的損耗。過高的電容器損耗會產生熱量使電容器溫度升高，造成電路工作狀態不穩定，加速電容器的老化。

電容器的好壞并不能單以電容器的消耗能量的多少來定論，因此，一般用電容器的損耗角正切來表示。電容器的損耗角正切是指在一定頻率的正弦電壓作用下，消耗在電阻上的有功功率和貯存在電容器中的無功功率的比值。因此，其是一個無單位的量。即：

介質損耗同電容量一樣，在實際使用中同溫度、工作頻率、電容器兩端所加的電壓有很大的關系。
以1206B472K500NT和1812B223K500NT為例：

圖10-介質損耗同溫度的關系

圖12-介質損耗同頻率的關系

電容器的品質因素（Q）和等效串聯電阻ESR：
在高頻電路中，由于頻率較高，電容器所測量出來的介質損耗已經很小,不便于參考。因此，為了更好地了解它的高頻特性，我們更關心的是它的品質因素Q值和在高頻低下所表現出來的等效串聯電阻ESR（Equivalent Series Resistance）。

Q值就是介質損耗DF的倒數。即：Q = 1/DF。隨著目前信號使用頻率的增高、功率的增加，高Q和超高Q的產品需求越來越多。同樣，Q值同ESR有著直接的關系，一般高Q即具備低ESR的特性。
在電容中所有損耗的總合叫做電容的等效串聯電阻ESR，一般它用毫歐姆來表示。ESR的損耗由介質損耗(Rsd)和金屬損耗(Rsm)兩部分組成。ESR = Rsd + Rsm
金屬損耗（ Rsm）則取決于電容構造中所有金屬性物質的傳導特性。這包括內電極，端電極等。
下面以一個容量值為22 pF的電容器所測得幾組數據為例：

由上表可知，介質損耗在低頻率下是主要的，而在高頻時則很小，金屬損耗則與之相反。當頻率越高時，金屬損耗就表現出”趨膚效應”。現列舉我們市場上幾個產品容量段的Q值。

因此，在設計時，高頻下我們應考慮ESR和Q值對電路設計的影響；低頻下應考慮損耗(DF)對電路設計的影響。

四、耐電壓（DWV）
電容器的耐電壓性能就是指電容器的陶瓷介質在工作狀態中能夠承受的最大電壓，即擊穿電壓，也就是電容器的極限電壓。電容器的標稱電壓即電容器的工作電壓，標稱電壓一般是相對于直流來說的。而電容器的耐電壓常規也是相對直流來說的，但有時也常用交流來表示。一般來說，電容器的標稱電壓遠遠低于其瓷介的耐電壓。因為，在實際的工作過程中，電容器除了兩端時時要承受的直流電壓外，另外常有脈沖交流電壓存在，而這個交流電壓的峰值常常遠遠高出工作過程中的直流電壓。因此，我們標稱電壓遠遠低于芯片的耐電壓。比如，1206B102K101NT其標稱電壓為100V，也就是其工作直流電壓要低于100V，而實際上其耐電壓直流可達1200V左右；交流可達500V左右。