[科普中国]-高频电容

高频电容基本上是由无源元件、有源器件和无源网络组成的。高频电路中使用的元器件与低频电路中使用的元器件频率特性是不同的。高频电路中无源线性元件主要是电阻（器）、电容（器）和电感（器）。

简介CBB电容（如WIMA电容）， 云母电容[如金、银云母电容）， 独石电容等均属高频电容。

高频电容和低频电容的区别是由构成它的材料和结构决定的，不是由容量决定的。

高频电容适合用于高频滤波的场合 --- 比如电脑主板和开关电源的二次输出整流，低频电容适合用于低频滤波的场合 --- 比如交流电整流以后的滤波。

产品特点1、高Q值C0G系列MLCC，属于微波陶瓷多层片式瓷介电容器；

2、采用顺电体微波介质材料；

3、具有极高的稳定性，其电容量几乎不受时间、交流、直流信号的影响；

4、具有极低的介质损耗，即极高的Q值，超低的ESR。

5、适用于要求Hi-Q、超低ESR的射频微波线路。

开关电源高频变压器电容效应建模与分析分析了开关电源中高频变压器在考虑了变压器绕组导体的电位分布情况下的电场储能特性和共模电磁干扰发射特性。指出采用一端口入端电容描述电场储能效应，而采用二端口转移阻抗电容描述共模电磁干扰发射效应，并提出了相应的参数计算方法。在此基础上，建立了新的高频变压器电容效应模型，该模型可以同时兼顾变压器的电场能量储存特性和共模噪音抑制特性，能合理地揭示变压器内共模噪音电流的流动机理。实验和仿真结果均验证了理论分析和模型。1

现有变压器模型介绍普遍使用的变压器模型，该模型含有3个集总电容，包括原边绕组电容Cp，副边绕组杂散电容Cs，原边和副边绕组间的杂散电容Cps1、Cps2。其中Cp和Cs分别反映了变压器内原边和副边各自内部存储的电场能量，而Cps1、Cps2则代表了变压器原边和副边的电场耦合能力，是影响共模电流大小的重要因素之一，是电磁干扰分析中的关键参数。1

在开关电源的电磁干扰分析中，变压器原边和副边间的电容Cps1、Cps2是共模干扰噪音的重要通道，对该电容的测量和估算是准确预测共模噪音并采取有效抑制措施的前提条件。按照以往直接测量变压器原边和副边得到的电容在实际电路分析中存在很大的问题，例如直接用LCR表测得的Cps1、Cps2，就无法考虑到变压器绕组线圈上的电位分布的影响，其电容值仅由绕组相对面积和绕组间的间距等结构参数决定，很多文献称之为结构电容。而在实际应用中，变压器线圈各匝间电位分布不是固定值而是有一定的电位梯度分布，因此在电路分析中采用上述方法测量得到的电容参数不能准确描述变压器的实际电容效应，需要采用能够反映变压器绕组电位分布的变压器容性参数测试手段和计算方法。

在考虑变压器绕组各匝匝间存在不同电位分布的情况下，变压器的绕组间电容一般通过变压器的电场存储能量来计算，得到变压器的能量端口有效电容。1

共模端口有效电容变压器的分布电容是共模电流传输通路的重要参数，用变压器存储电场能量归算得到的能量端口有效电容，并不能反映变压器对共模电流传导的特性，因为变压器的能量端口有效电容是一端口网络参数，是从电压施加侧看进去的同一端的等效电容，它反映了变压器存储电场能量的能力。而描述变压器内共模噪音电流流动的有效电容应该是一个二端口网路参数，即噪音源施加于变压器的一端口，而共模噪音电流是经两个绕组间的分布电容由另一端口流出。 以反激式开关电源为例解释了其中的差异，原边噪音源产生的共模噪音经变压器绕组间电容耦合到变压器的副边，流入副边由对地分布电容经LISN阻抗回到地。1

由储存能量得到的能量端口有效电容，该等效电容是将原边和副边间的存储能量归算至原边电位Up，归算得到的能量端口有效电容反映了原边和副边之间所存储的电场能量，是原边施加电位Up的参数CE=f(Up)，是一端口的阻抗参数。则体现了原边所施加电压Up的情况下，共模电流由变压器副边流出，其对应的有效电容体现了变压器一端口施加电压，另一端口出现的共模电流大小的二端口转移阻抗的概念CQ=f(Up， iCM)。明显的基于能量计算得到的描述一端口的有效电容并不等同于描述共模噪音的二端口有效转移阻抗电容，不适合用来分析共模噪音电流。1

变压器电容特性建模能量端口有效电容和共模有效电容均为折算到原边电压Up的有效电容，其中能量端口有效电容为CE=C0/3，表征了变压器存储电场能量的物理特性，而用形成位移电流的感应电荷计算的共模端口有效电容为CQ=C0/2，表征了变压器对共模噪音的抑制特性。两个端口有效电容间存在差异，而且CQ>CE，原有的模型无法同时表达这两种特性，为此需要对变压器进行重新建模。考虑了变压器线圈电位分布的新模型，该模型在原有两个集总电容的基础上增加了一个新的集总电容Cps3，这3个电容参数并不是简单的把总的Cps 分为三等分，即 Cps1=Cps2=Cps3=Cps/3，对这3个电容的参数进行分析计算，以期可以同时表达变压器存储能量和共模噪音抑制的两种特性。1

共模噪声测试包括2端和3端两种接入情况：3端输入时变压器的共模电磁干扰信号经副边侧母线直接流回地线，变压器的原边静点(电压非跳变点)和副边静点(电压非跳变点)间的电位差就是噪音电流流经LISN标准50Ω电阻的电位差，考虑到噪音电流为µA数量级，此电位差可以忽略不计，认为原边静点与副边静点电位相同；而2端输入时共模噪声经副边对地分布电容Cg构成回路，此电容一般很小，因此副边噪声电位可以看作与原边的中点电位相同为Up/2。1

附加电阻高频电容法土壤水分传感器分析了高频电容土壤水分传感机理，建立了附加电阻高频土壤水分数学模型，设计了附加电阻平行板电容传感器检测电路，并进行实际土壤测试实验。结果表明，土壤电容值与土壤的重量含水量近似成线性关系，在1%的土壤水分含量误差范围内，能够准确地测定土壤水分含量，消除了电导引起的测量误差。2

附加电阻法电容土壤水分传感器设计1、电容土壤水分模型的构建及测量频率的确定

对于土壤介质来说，影响其介电特性的因素很多，包括电磁频率、土壤含水量、土壤质地等，但以电磁频率的影响最大。当频率低于1MHz时，其介电常数存在一个离子电导而造成的介电常数分散区，表现为介电常数很大；只有当电磁频率高于1MHz时，受土壤质地和结构的影响较小，介电常数才较为稳定。但是随着频率的增加， 许多寄生效应随之产生，如集肤效应和邻近效应等。因此，测量方案选用的频率为10MHz高频电容土壤水分传感器的电气模型。

土壤模型主要由电容Cx 和电阻Rx的并联组成。其中，Lp 表示土壤电容器2个极板的寄生电感，它随着极板正对面积的增大而减小，所产生的感抗随频率的增大而增大；Rp和Cp分别表示极板的寄生电阻和2个极板间的寄生电容，寄生电容的容抗随频率的增大而减小。通常情况下，在测试频率为10MHz时，这些寄生参量值很小。2

2、附加电阻法测量土壤水分模型的建立

为了采集土壤水分含量信息，采用分压电阻法。其中，Rx和Cx构成了土壤的阻容并联模型，Ra为附加电阻，Rc为串联分压电阻。当开关K的闭合时，Ra被加入到土壤模型中。通过开关的闭合和开启，可以得到不同的输出电压值，经过计算，从而确定土壤的等效电容分量，最终得到土壤的水分含量。

在附加电阻Ra接入和断开2种情况下，讨论输出信号与输入信号之间的关系，通过数学计算得到土壤等效电容分量值，再由电容传感器输出特性，最终求得土壤中的水分含量。2

平行板电容传感器的结构设计考虑到尽量不破坏土壤的结构状况，根据平行板电容器的原理，设计了平行板电容传感器。为了避免外界电磁波和自身边缘效应的影响，采用了全屏蔽的方法，即把1对正对的平行板电容器放在封闭的立方体金属壳体内部，屏蔽罩接地。其中2个金属极板的尺寸均为80mm×80mm，极板间距为80mm。

由于平行板电容器电力线有边缘效应，所以在测试土壤水分时，用取土器取传感器容积大小的土壤，让土样完全充满槽体，保证土样全部处于平行板电容器的平行电力线均匀电场中，以减小传感器结构造成的误差。2

附加电阻法测试土壤水分含量的试验及分析根据附加电阻法原理，采用实际的电容和电阻模拟土壤介电特性，在电阻值固定的情况下，改变电容值，应用设计的电路进行检测，其中，Cx为模拟土壤的电容值，uo1，uo2分别为Ra连接和断开时的输出信号电压，Cx为根据实测数据计算的土壤模型电容分量值。在该试验中，模拟土壤的电阻值Rx 为100Ω、串联分压电阻Rc采用99Ω， 附加电阻 Ra为99Ω，输入信号电压 ( 频率为10MHz)为1380mV。2

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学