PCB设计之电容篇

1.电容的结构和特性

给导体加电位，导体就带上电荷。但对于相同的电位，导体容纳电荷的数量却因它本身结构的不同而不同。导体能够容纳电荷的能力称为电容。 通常，某导体容纳的电荷Q（库仑）与它的电位V（伏特，相对于大地）成正比，即有， 所以，C就是该导体的电容量。电容的单位是法拉（F）， 。

图1 电容器的结构和符号

如图1（a）所示，在两块平行的金属板之间插入绝缘介质，且引出电极就成为了电容器。它的电路符号见图1（b）所示，分别为有极性电容和无极性电容。

若给电容器充电，电容器的两极板上就会积累电荷。如图2（a）所示为给电容量为C的电容器以恒定电流强度I充电示意图。假设电容器初始不带电荷，即它两端的初始电压等于零。我们回忆电流的定义：电荷在导体内流动形成了电流，单位时间内流过导体横截面的电荷量称为电流强度，即有，则，又因在电容器中有，故，所以。

即电容量为C的电容器在恒定电流强度I的作用下，两端电压V随时间t线性上升，上升曲线如图2（b）所示。

图2 给电容器恒流充电

电容器两端的电压越高则所容纳的电荷就越多，即储能就越大。但电容器两极板间绝缘介质的耐电强度是有限的，若两极板间的电场强度太高，就可能将绝缘介质击穿，从而使电容器短路。因此在应用中要兼顾电容器的耐压。

结论：电容器在电路中有容纳电荷的作用，也即存储能量的作用。电容器存储能量是需要时间的，因此电容器两端电压不能突变。且电容量越大，可存储的能量就越多。电容器最重的两个参数是它的电容量和耐压。

2.RC充放电回路

图3（a）所示电路是以一个RC充放电回路示意图。假设电容器两端的初始电压为零，开关K与1端接通的瞬间，电源通过电阻R对电容器充电，此时电容器的充电电流为最大E/R，若持续以这个电流充电，则VC的上升曲线是一条线性的直线，如图3（b）中的虚线所示。

图3 RC充放电回路

但是因在整个充电过程中充电电流为，故随着VC的上升，充电电流强度IC逐渐减小，则VC上升的幅度也逐渐变小，直到上升至电源电压E，同时充电电流为0。这样使实际的VC上升曲线如图3（b）所示。VC是按指数规律上升的，它随时间t变化的表达式为：

其中，为时间常数。

可以看出串联电阻R越大，充电电流就越小，则充电时间就越长；电容量C越大，所需要的电荷就越多（即储能越多），充电时间也就越长。

当电容充满电后，VC等于E。此时开关K与2端接通，则电容器通过R放电，放电电流为，VC逐渐降低。在接通2端的瞬间，放电电流为最大，但随着VC的降低，放电电流也逐渐降低，直至VC为0V，放电电流也为0。这样以来，电容放电时VC的下降曲线如图1.7（c）所示。VC也是按指数规律下降的，它随时间t变化的表达式为：