PCB 設計中的電容器：所有類型的完整指南
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電容器是 PCB（印刷電路板）設計中不可或缺的元件，從儲能、濾除雜訊到穩壓，功能多元。不論是設計簡單電路或複雜多層板，了解不同類型的電容器及其應用都至關重要。電容器的基本結構由兩片金屬板中間夾一層介電質組成，可分為固定與可變兩種。
電容器儲存電荷的能力稱為電容，單位為法拉。與電阻相同，電容器可串聯或並聯，以改變總電容值。電子電路已發展出多種電容器類型。本完整指南將探討電容器在 PCB 設計中的角色、介紹各種類型，並說明如何為專案挑選合適元件。查看 PC 上所需的其他元件類型B。
什麼是電容器及其工作原理？
電容器是被動電子元件，以電場形式儲存與釋放電能。它由兩片導電板中間隔絕一層稱為介電質的絕緣材料構成。施加電壓時，導電板會儲存電荷，兩板電荷互補。電容器在電路中扮演多重角色，其端子由金屬板引出以供外部連接。
此結構的電容可由下列公式表示：
C = εA / D
其中：
ε 為介電常數，單位
C 為電容，單位法拉
D 為兩板間距離
A 為兩板重疊面積
電容亦為電荷 (Q) 與電壓 (V) 之比，數學式如下：
C = Q / V
其中：
C 為電容，單位法拉
Q 為板上的累積電荷
V 為施加於電容器之電壓
影響電容的因素：
改變下列參數即可調整電容值：
- 極板面積：增大極板面積可提高電容。
- 極板重疊面積 (A)：平行極板重疊面積越大，電容值越大。
- 極板間距 (D)：平行極板越靠近，電容值越大。
- 介電質特性 (ε)：選用高介電常數材料可提高電容值。
依極性分類的電容器：
極化電容器：具有正負兩種不同端子，常見如鋁電解與鉭電解電容。必須將正端接電源正極、負端接負極，極性不可反接。
非極化電容器：可任意方向安裝，無需考慮極性，常用於電壓方向經常變換的場合。
電容器在電路中的用途：
- 去耦與旁路：作為小型電荷儲存槽，阻止雜訊於電路中傳播。
- 濾波：平滑電壓漣漪，常見於電源電路濾除交流漣波。
- 計時電路：與電阻搭配產生時間間隔。
- 儲能：暫存電能並於需要時釋放，常見於備份應用。
PCB 設計中常見的電容器類型與應用
電容器依形狀、尺寸與材料不同，各有適用場合。以下概述PCB 設計中最常見的類型。
1. 陶瓷電容器
- 材料：陶瓷為介電質。
- 類型：多層陶瓷電容（MLCC）最常用。
- 電容範圍：通常數 pF 至 µF 等級。
- 額定電壓：多種電壓規格可選。
- 應用：高頻電路旁路與去耦，因其低 ESR 與低電感。
- 優點：價低、體積小、穩定性佳。
- 缺點：電容值相對較小。
2. 電解電容器
- 材料：鋁或鉭，以電解質為介電質。
- 電容範圍：高電容值，通常 1 µF 至數千 µF。
- 額定電壓：中到高電壓等級。
- 應用：電源大量儲能與濾波。
- 優點：小體積即可獲得高電容。
- 缺點：ESR 較高，具極性需正確安裝。
3. 鉭電容器
- 材料：鉭金屬與導電氧化物為介電質。
- 電容範圍：中到高電容值。
- 額定電壓：通常低於鋁電解。
- 應用：需穩定電容之去耦與濾波。
- 優點：穩定性高、壽命長、體積小。
- 缺點：價格較高，對電壓突波敏感。
4. 薄膜電容器
- 材料：塑膠薄膜，如聚酯、聚丙烯或 PTFE。
- 電容範圍：通常數 nF 至數 µF。
- 額定電壓：高電壓等級。
- 應用：音訊、訊號耦合與濾波，失真低、精度高。
- 優點：極穩定、低 ESR、高可靠。
- 缺點：體積較陶瓷電容大。
5. 超級電容器（超電容）
- 材料：電化學雙電層技術。
- 電容範圍：法拉級，遠高於傳統電容。
- 額定電壓：通常低電壓。
- 應用：需快速充放電的儲能應用，如備份電源與功率平滑。
- 優點：電容值極高。
- 缺點：耐壓低，常需串聯以提高電壓。
PCB 電容器的標記：
電容器上的標記提供組裝與測試的關鍵資訊，包括：
- 電容值：標示容量，通常以 μF、nF 或 pF 表示。
- 額定電壓：最大工作電壓，如「5V5」代表 5.5 V。
- 誤差值：容許偏差，常見 ±1%、±5% 或 ±10%。
- 溫度係數：表示電容隨溫度的變化量。
- 日期碼：製造或批次日期。
- 極性：極化電容會標示正負端。
- 商標：製造商標與料號。
部分電容還會標示絕緣材料、漣波電流及壽命小時數。
如何為設計挑選合適的電容器：
選擇 PCB 電容器時，請考量下列因素：
1. 電容值：依應用需求決定，範圍可從 pF 到 F。
2. 額定電壓：至少為工作電壓的 1.5 倍。
3. 溫度係數：精密電路需低溫度係數以維持穩定。
4. 尺寸與封裝：空間受限時可選小型 MLCC，而非體積較大的薄膜電容。
5. ESR（等效串聯電阻）：高頻與電源應用需低 ESR 以提升效率。
6. 介電質材料：決定電容值與熱穩定性。
7. 誤差值：表示電容值允許的上下偏差範圍。
8. 安裝方式：空間受限選 SMD，需大電容且空間充裕可選插件。
9. 供應商：選擇可信賴供應商，避免規格不符的仿冒品。
PCB 高頻考量：
低頻時電容器特性理想，高頻則否。以下技巧可維持穩定並降低 ESL 與自諧振問題：
- 高頻處選陶瓷或低 ESR 薄膜，避用電解。
- 小封裝 ESL 低，晶片優於引線式。
- 縮短走線與回地面積。
- 避免大迴路面積以減寄生電感。
- 以 S 參數模型進行模擬。
- 打樣時測試振鈴等頻率相關問題。
- 焊盤間距影響諧振頻率。
- 若工作頻率接近自諧振點，需量測阻抗特性。
如何降低電路板佈局的寄生電容
高頻訊號與相鄰走線會於 PCB 產生寄生電容，進而引入 EMI。將寄生電容降至最低的方法：
- 保護環可降低兩走線間電容效應。
- 加大相鄰走線間距。
- 選用低介電常數板材以減少雜散電容。
- 避免平行佈線，減少相對面積。
結論
電容器是 PCB 設計的基礎元件，提供穩壓、降噪與能量管理等必要功能。了解各類型特性與最佳擺放方式，可顯著提升電路性能與可靠度。總結重點：
- PCB 電容器於導電板間以介電質儲能。
- 不同類型適用不同應用與環境。
- 正確選擇電壓、電容、ESR 等參數可避免失效。
- 精準選型、擺放與處理可確保 PCB 穩定運作。
- 旁路與去耦電容需精心設計，以獲得乾淨電源。
不論是高速數位、音訊或電源設計，選對電容器並正確擺放是達成設計目標的關鍵。掌握電容器的使用，將使您能夠駕馭複雜的 PCB 專案並避開常見陷阱。
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