PCB設計之電容篇

1.電容的結構和特性

給導體加電位，導體就帶上電荷。但對于相同的電位，導體容納電荷的數量卻因它本身結構的不同而不同。導體能夠容納電荷的能力稱為電容。 通常，某導體容納的電荷Q（庫侖）與它的電位V（伏特，相對于大地）成正比，即有， 所以，C就是該導體的電容量。電容的單位是法拉（F）， 。

圖1 電容器的結構和符號

如圖1（a）所示，在兩塊平行的金屬板之間插入絕緣介質，且引出電極就成為了電容器。它的電路符號見圖1（b）所示，分別為有極性電容和無極性電容。

若給電容器充電，電容器的兩極板上就會積累電荷。如圖2（a）所示為給電容量為C的電容器以恒定電流強度I充電示意圖。假設電容器初始不帶電荷，即它兩端的初始電壓等于零。我們回憶電流的定義：電荷在導體內流動形成了電流，單位時間內流過導體橫截面的電荷量稱為電流強度，即有，則，又因在電容器中有，故，所以。

即電容量為C的電容器在恒定電流強度I的作用下，兩端電壓V隨時間t線性上升，上升曲線如圖2（b）所示。

圖2 給電容器恒流充電

電容器兩端的電壓越高則所容納的電荷就越多，即儲能就越大。但電容器兩極板間絕緣介質的耐電強度是有限的，若兩極板間的電場強度太高，就可能將絕緣介質擊穿，從而使電容器短路。因此在應用中要兼顧電容器的耐壓。

結論：電容器在電路中有容納電荷的作用，也即存儲能量的作用。電容器存儲能量是需要時間的，因此電容器兩端電壓不能突變。且電容量越大，可存儲的能量就越多。電容器最重的兩個參數是它的電容量和耐壓。

2.RC充放電回路

圖3（a）所示電路是以一個RC充放電回路示意圖。假設電容器兩端的初始電壓為零，開關K與1端接通的瞬間，電源通過電阻R對電容器充電，此時電容器的充電電流為最大E/R，若持續以這個電流充電，則VC的上升曲線是一條線性的直線，如圖3（b）中的虛線所示。

圖3 RC充放電回路

但是因在整個充電過程中充電電流為，故隨著VC的上升，充電電流強度IC逐漸減小，則VC上升的幅度也逐漸變小，直到上升至電源電壓E，同時充電電流為0。這樣使實際的VC上升曲線如圖3（b）所示。VC是按指數規律上升的，它隨時間t變化的表達式為：

其中，為時間常數。

可以看出串聯電阻R越大，充電電流就越小，則充電時間就越長；電容量C越大，所需要的電荷就越多（即儲能越多），充電時間也就越長。

當電容充滿電后，VC等于E。此時開關K與2端接通，則電容器通過R放電，放電電流為，VC逐漸降低。在接通2端的瞬間，放電電流為最大，但隨著VC的降低，放電電流也逐漸降低，直至VC為0V，放電電流也為0。這樣以來，電容放電時VC的下降曲線如圖1.7（c）所示。VC也是按指數規律下降的，它隨時間t變化的表達式為：