一、電容的基本原理

電容，和電感、電阻一起，是電子學三大基本無源器件；電容的功能就是以電場能的形式儲存電能量。

以平行板電容器為例，簡單介紹下電容的基本原理

如上圖所示，在兩塊距離較近、相互平行的金屬平板上(平板之間為電介質)加載一個直流電壓；穩定后，與電壓正極相連的金屬平板將呈現一定量的正電荷，而與電壓負極相連的金屬平板將呈現相等量的負電荷；這樣，兩個金屬平板之間就會形成一個靜電場，所以電容是以電場能的形式儲存電能量，儲存的電荷量為Q。

電容儲存的電荷量Q與電壓U和自身屬性(也就是電容值C)有關，也就是Q=U*C。根據理論推導，平行板電容器的電容公式如下：

理想電容內部是介質(Dielectric)，沒有自由電荷，不可能產生電荷移動也就是電流，那么理想電容是如何通交流的呢？

通交流

電壓可以在電容內部形成一個電場，而交流電壓就會產生交變電場。根據麥克斯韋方程組中的全電流定律：

即電流或變化的電場都可以產生磁場，麥克斯韋將ε(?E/?t)定義為位移電流，是一個等效電流，代表著電場的變化。(這里電流代表電流密度，即J

實際位移電流等于電流密度乘以面積：

所以電容的容抗為1/ωC，頻率很高時，電容容抗會很小，也就是通高頻。

下圖是利用ANSYS HFSS仿真的平行板電容器內部的電磁場的變化。

橫截面電場變化(GIF動圖，貌似要點擊查看)

縱斷面磁場變化(GIF動圖，貌似要點擊查看)

也就是說電容在通交流的時候，內部的電場和磁場在相互轉換。

隔直流

直流電壓不隨時間變化，位移電流ε(?E/?t)為0，直流分量無法通過。

實際電容等效模型

實際電容的特性都是非理想的，有一些寄生效應；因此，需要用一個較為復雜的模型來表示實際電容，常用的等效模型如下：

由于介質都不是絕對絕緣的，都存在著一定的導電能力；因此，任何電容都存在著漏電流，以等效電阻Rleak表示；

電容器的導線、電極具有一定的電阻率，電介質存在一定的介電損耗；這些損耗統一以等效串聯電阻ESR表示；

電容器的導線存在著一定的電感，在高頻時影響較大，以等效串聯電感ESL表示；

另外，任何介質都存在著一定電滯現象，就是電容在快速放電后，突然斷開電壓，電容會恢復部分電荷量，以一個串聯RC電路表示。

大多數時候，主要關注電容的ESR和ESL。

品質因數(Quality Factor)

和電感一樣，可以定義電容的品質因數，也就是Q值，也就是電容的儲存功率與損耗功率的比：

Qc=(1/ωC)/ESR

Q值對高頻電容是比較重要的參數。

自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

由于ESL的存在，與C一起構成了一個諧振電路，其諧振頻率便是電容的自諧振頻率。在自諧振頻率前，電容的阻抗隨著頻率增加而變小；在自諧振頻率后，電容的阻抗隨著頻率增加而變小，就呈現感性；如下圖所示：

圖出自Taiyo Yuden的EMK042BJ332MC-W規格書
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二、電容的工藝與結構

根據電容公式，電容量的大小除了與電容的尺寸有關，與電介質的介電常數(Permittivity)有關。電介質的性能影響著電容的性能，不同的介質適用于不同的制造工藝。

電容的制造工藝主要可以分為三大類：

薄膜電容(Film Capacitor)

電解電容(Electrolytic Capacitor)

陶瓷電容(Ceramic Capacitor)

2.1 薄膜電容(Film Capacitor)

Film Capacitor在國內通常翻譯為薄膜電容，但和Thin Film工藝是不一樣的。為了區分，個人認為直接翻譯為膜電容好點。

薄膜電容是通過將兩片帶有金屬電極的塑料膜卷繞成一個圓柱形，最后封裝成型；由于其介質通常是塑料材料，也稱為塑料薄膜電容；其內部結構大致如下圖所示：

原圖來自于維基百科
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薄膜電容根據其電極的制作工藝，可以分為兩類：

金屬箔薄膜電容(Film/Foil)

金屬箔薄膜電容，直接在塑料膜上加一層薄金屬箔，通常是鋁箔，作為電極；這種工藝較為簡單，電極方便引出，可以應用于大電流場合。

金屬化薄膜電容(Metallized Film)

金屬化薄膜電容，通過真空沉積(Vacuum Deposited)工藝直接在塑料膜的表面形成一個很薄的金屬表面，作為電極；由于電極厚度很薄，可以繞制成更大容量的電容；但由于電極厚度薄，只適用于小電流場合。

金屬化薄膜電容就是具有自我修復的功能，即假如電容內部有擊穿損壞點，會在損壞處產生雪崩效應，氣化金屬在損壞處將形成一個氣化集合面，短路消失，損壞點被修復；因此，金屬化薄膜電容可靠性非常高，不存在短路失效；

薄膜電容有兩種卷繞方法：有感繞法在卷繞前，引線就已經和內部電極連在一起；無感繞法在繞制后，會采用鍍金等工藝，將兩個端面的內部電極連成一個面，這樣可以獲得較小的ESL，應該高頻性能較高；此外，還有一種疊層型的無感電容，結構與MLCC類似，性能較好，便于做成SMD封裝。

應用最多的薄膜電容是聚酯薄膜電容，比較便宜，由于其介電常數較高，尺寸可以做的較小；其次就是聚丙烯薄膜電容。其他材料還有聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等等。

薄膜電容的特點就是可以做到大容量，高耐壓；但由于工藝原因，其尺寸很難做小，通常應用于強電電路，例如電力電子行業；基本上是長這個樣子：

2.2 電解電容(Electrolytic Capacitor)

電解電容是用金屬作為陽極(Anode)，并在表面形成一層金屬氧化膜作為介質；然后濕式或固態的電解質和金屬作為陰極(Cathode)。電解電容大都是有極性的，如果陰極側的金屬，也有一層氧化膜，就是無極性的電解電容。

根據使用的金屬的不同，目前只要有三類電解電容：

鋁電解電容(Aluminum electrolytic capacitors)

鋁電解電容應該是使用最廣泛的電解電容，最便宜，其基本結構如下圖所示：

鋁電解電容的制作工藝大致有如下幾步：

首先，鋁箔會通過電蝕刻(Etching)的方式，形成一個非常粗糙的表面，這樣增大了電極的表面積，可以增大電容量；

再通過化學方法將陽極氧化，形成一個氧化層，作為介質；

然后，在陽極鋁箔和陰極鋁箔之間加一層電解紙作為隔離，壓合繞制；

最后，加注電解液，電解紙會吸收電解液，封裝成型。

使用電解液的濕式鋁電解電容應用最廣；優點就是電容量大、額定電壓高、便宜；缺點也很明顯，就是壽命較短、溫度特性不好、ESR和ESL較大。對于硬件開發來說，需要避免過設計，在滿足性能要求的情況下，便宜就是最大的優勢。

下圖是基美(Kemet)的鋁電解電容產品，大致可以看出鋁電解電容的特點。

原圖截圖于KEMET網站
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鋁電解電容也有使用二氧化錳、導電高分子聚合物等固態材料做電解質；聚合物鋁電解電容的結構大致如下圖所示：

原圖出自Polymer Aluminum Electrolytic Capacitors - Murata

聚合物鋁電解電容的ESR較小，容值更穩定，瞬態響應好；由于是固態，抗沖擊振動能力比濕式的要好；可以做出較小的SMD封裝。當然，濕式的鋁電解電容也可以做SMD封裝：

鉭電解電容(Tantalum electrolytic capacitors)

鉭(拼音tǎn)電解電容應用最多的應該是利用二氧化錳做固態電解質，主要長這樣：

圖片出自Solid Tantalum MnO2 Capacitors
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固態鉭電解電容內部結構大致如下圖所示：

原圖出自Vishay技術文檔

鉭電容與鋁電解電容比，在于鉭氧化物(五氧化二鉭)的介電常數比鋁氧化物(三氧化二鋁)的高不少，這樣相同的體積，鉭電容容量要比鋁電解電容的要大。鉭電容壽命較長，電性能更加穩定。

鉭電容也有利用導電高分子聚合物(Conductive Polymer)做電解質，結構與上圖二氧化錳鉭電容類似，就是將二氧化錳換成導電聚合物；導電聚合物的電導率比二氧化錳高，這樣ESR就會更低。

另外還有濕式的鉭電容，特點就是超大容量、高耐壓、低直流漏電流，主要用于軍事和航天領域。

鈮電解電容(Niobium electrolytic capacitors)

鈮電解電容與鉭電解電容類似，就是鈮及其氧化物代替鉭；鈮氧化物(五氧化二鈮)的介電常數比鉭氧化物(五氧化二鉭)更高；鈮電容的性能更加穩定，可靠性更高。

AVX有鈮電容系列產品，二氧化錳鉭電容外觀是黃色，而鈮電容外觀是橙紅色：

電解電容對比表，數據來源于維基百科，僅供參考。

2.3 陶瓷電容(Ceramic Capacitor)

陶瓷電容是以陶瓷材料作為介質材料，陶瓷材料有很多種，介電常數、穩定性都有不同，適用于不同的場合。

陶瓷電容，主要有以下幾種：

瓷片電容(Ceramic Disc Capacitor)

瓷片電容的主要優點就是可以耐高壓，通常用作安規電容，可以耐250V交流電壓。其外觀和結構如下圖所示：

原圖出自本小節兩篇引申閱讀
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多層陶瓷電容(Multi-layer Ceramic Capacitor)

多層陶瓷電容，也就是MLCC，片狀(Chip)的多層陶瓷電容是目前世界上使用量最大的電容類型，其標準化封裝，尺寸小，適用于自動化高密度貼片生產。

作者，也就是我自己設計的主板，自己拍的照片，加了藝術效果；沒有標引用和出處的圖片和內容，絕大多數都是我自己畫或弄出來的，剩下一點點可能疏忽忘加了；標引用的圖片，很多都是我重新加工的，例如翻譯或幾張圖拼在一起等等，工具很土EXCEL+截圖。

多層陶瓷電容的內部結構如下圖所示：

原圖出自SMD MLCC for High Power Applications - KEMET
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多層陶瓷電容生產流程如下圖所示：

原圖出自Capacitors, Part 2 "Ceramic Capacitors

由于多層陶瓷需要燒結瓷化，形成一體化結構，所以引線(Lead)封裝的多層陶瓷電容，也叫獨石(Monolithic)電容。

在談談電感?中也介紹過多層陶瓷工藝和Thin Film工藝。Thin Film技術在性能或工藝控制方面都比較先進，可以精確的控制器件的電性能和物理性能。因此，Thin Film電容性能比較好，最小容值可以做到0.05pF，而容差可以做到0.01pF；比通常MLCC要好很多，像Murata的GJM系列，最小容值是0.1pF，容差通常都是0.05pF；因此，Thin Film電容可以用于要求比較高的RF領域，AVX有Accu-P系列。

陶瓷介質的分類

根據EIA-198-1F-2002，陶瓷介質主要分為四類：

Class I：具有溫度補償特性的陶瓷介質，其介電常數大都較低，不超過200。通常都是順電性介質(Paraelectric)，溫度、頻率以及偏置電壓下，介電常數比較穩定，變化較小。損耗也很低，耗散因數小于0.01。

截圖自Materials Development for Commercial Multilayer Ceramic Capacitors，Page26

性質最穩定，應用最多的是C0G電容，也就是NP0。NP0是IEC/EN 60384-1標準中規定的代號，即Negative Positive Zero，也就是用N和P來表示正負偏差。

由于介電常數低，C0G電容的容值較小，最大可以做到0.1uF，0402封裝通常最大只有1000pF。

Class II，III：其中，溫度特性A-S屬于Class II，介電常數幾千左右。溫度特性T-V屬于Class III，介電常數最高可以到20000，可以看出Class III的性能更加不穩定。根據IEC的分類，Class II和III都屬于第二類，高介電常數介質。像X5R和X7R都是Class II電容，在電源去耦中應用較多，而Y5V屬于Class III電容，性能不太穩定，個人覺得現在應用不多了。

截圖自Materials Development for Commercial Multilayer Ceramic Capacitors，Page103

由于Class II和III電容的容值最高可以做到幾百uF，但由于高介電常數介質，大都是鐵電性介質(Ferroelectric)，溫度穩定性差。此外，鐵電性介質，在直流偏置電壓下介電常數會下降。

在談談電感一文中，介紹了鐵磁性介質存在磁滯現象，當內部磁場超過一定值時，會發生磁飽和現象，導致磁導率下降；同樣的，對于鐵電性介質存在電滯現象，當內部電場超過一定值時，會發生電飽和現象，導致介電常數下降。

因此，當Class II和III電容的直流偏置電壓超過一定值時，電容會明顯下降，如下圖所示：

圖片來源GRM188R60J226MEA0 - Murata

Class IV：制作工藝和通常的陶瓷材料不一樣，內部陶瓷顆粒都是外面一層很薄的氧化層，而核心是導體。這種類型的電容容量很大，但擊穿電壓很小。由于此類電容的性能不穩定，損耗高，現在已經基本被淘汰了。

電容類型總結表

原圖出自維基百科
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還有一類超級電容，就是容量特別大，可以替代電池作為供電設備，也可以和電池配合使用。超級電容充電速度快，可以完全地充放電，而且可以充到任何想要的電壓，只要不超過額定電壓。現在應用也比較多，國內很多城市都有超級電容電動公交車；還有些電子產品上也有應用，例如一些行車記錄儀上，可以持續供電幾天。

三、電容的應用與選型

器件選型，其實就是從器件的規格書上提取相關的信息，判斷是否滿足產品的設計和應用的要求。

3.1 概述

電容作為一個儲能元件，可以儲存能量。外部電源斷開后，電容也可能帶電。因此，安全提示十分必要。有些電子設備內部會貼個高壓危險，小時候拆過家里的黑白電視機，拆開后看到顯像管上貼了個高壓危險，那時就有個疑問，沒插電源也會有高壓嗎？工作后，拆過幾個電源適配器，被電的回味無窮……

回歸正題，電容儲能可以做如下應用：

儲存能量就可以當電源，例如超級電容；

存儲數據，應用非常廣。動態易失性存儲器(DRAM)就是利用集成的電容陣列存儲數據，電容充滿電就是1，放完電就是0。各種手機、電腦、服務器中內存的使用量非常大，因此，內存行業都可以作為信息產業的風向標了。

此外，電容還可以用作：

定時：電容充放電需要時間，可以用做定時器；還可以做延時電路，最常見的就是上電延時復位；一些定時芯片如NE556，可以產生三角波。

諧振源：與電感一起組成LC諧振電路，產生固定頻率的信號。

利用電容通高頻、阻低頻、隔直流的特性，電容還可以用作：

電源去耦

電源去耦應該是電容最廣泛的應用，各種CPU、SOC、ASIC的周圍、背面放置了大量的電容，目的就是保持供電電壓的穩定。

首先，在DCDC電路中，需要選擇合適的輸入電容和輸出電容來降低電壓紋波。需要計算出相關參數。

此外，像IC工作時，不同時刻需要的工作電流是不一樣的，因此，也需要大量的去耦電容，來保證工作電壓得穩定。

耦合隔直

設計電路時，有些情況下，只希望傳遞交流信號，不希望傳遞直流信號，這時候可以使用串聯電容來耦合信號。

例如多級放大器，為了防止直流偏置相互影響，靜態工作點計算復雜，通常級間使用電容耦合，這樣每一級靜態工作點可以獨立分析。

例如PCIE、SATA這樣的高速串行信號，通常也使用電容進行交流耦合。

旁路濾波

旁路，顧名思義就是將不需要的交流信號導入大地。濾波其實也是一個意思。在微波射頻電路中，各種濾波器的設計都需要使用電容。此外，像EMC設計，對于接口處的LED燈，都會在信號線上加一顆濾波電容，這樣可以提高ESD測試時的可靠性。

3.2 鋁電解電容

3.2.1 鋁電解電容(濕式)

鋁電解電容(濕式)無論是插件還是貼片封裝，高度都比較高，而且ESR都較高，不適合于放置于IC附近做電源去耦，通常都是用于電源電路的輸入和輸出電容。

容值

從規格書中獲取電容值容差，通常鋁電解電容的容差都是±20%。計算最大容值和最小容值時，各項參數要滿足設計要求。

額定電壓

鋁電解電容通常只適用于直流場合，設計工作電壓至少要低于額定電壓的80%。對于有浪涌防護的電路，其額定浪涌電壓要高于防護器件(通常是TVS)的殘壓。

例如，對于一些POE供電的設備，根據802.3at標準，工作電壓最高可達57V，那么選擇的TVS鉗位電壓有90多V，那么至少選擇額定電壓100V的鋁電解電容。此時，也只有鋁電解電容能同時滿足大容量的要求。

耗散因數

設計DCDC電路時，輸出電容的ESR影響輸出電壓紋波，因此需要知道鋁電解電容的ESR，但大多數鋁電解電容的規格書只給出了耗散因數tanδ。可以根據以下公式來計算ESR：

ESR = tanδ/(2πfC)

例如，120Hz時，tanδ為16%，而C為220uF，則ESR約為965mΩ。可見鋁電解電容的ESR非常大，這會導致輸出電壓紋波很大。因此，使用鋁電解電容時，需要配合使用片狀陶瓷電容，靠近DCDC芯片放置。

隨著開關頻率和溫度的升高，ESR會下降。

額定紋波電流

電容的紋波電流，要滿足DCDC設計的輸入和輸出電容的RMS電流的需求。鋁電解電容的額定紋波電流需要根據開關頻率來修正。

壽命

鋁電解電容的壽命比較短，選型需要注意。而壽命是和工作溫度直接相關的，規格書通常給出產品最高溫度時的壽命，例如105℃時，壽命為2000小時。

根據經驗規律，工作溫度每下降10℃，壽命乘以2。如果產品的設計使用壽命為3年，也就是26280小時。則10*log2(26280/2000)=37.3℃，那么設計工作溫度不能超過65℃。

3.2.2 聚合物鋁電解電容

像Intel的CPU這樣的大功耗器件，一顆芯片80多瓦的功耗，核電流幾十到上百安，同時主頻很高，高頻成分多。這時對去耦電容的要求就很高：

電容值要大，滿足大電流要求；

額定RMS電流要大，滿足大電流要求；

ESR要小，滿足高頻去耦要求；

容值穩定性要好；

表面帖裝，高度不能太高，因為通常放置在CPU背面的BOTTOM層，以達到最好的去耦效果。

這時，選擇聚合物鋁電解電容最為合適。

此外，對于音頻電路，通常需要用到耦合、去耦電容，由于音頻的頻率很低，所以需要用大電容，此時聚合物鋁電解電容也很合適。

3.3 鉭電容

根據前文相關資料的來源，可以發現，鉭電容的主要廠商就是Kemet、AVX、Vishay。

鉭屬于比較稀有的金屬，因此，鉭電容會比其他類型的電容要貴一點。但是性能要比鋁電解電容要好，ESR更小，損耗更小，去耦效果更好，漏電流小。下圖是Kemet一款固態鉭電容的參數表：

額定電壓

固態鉭電容的工作電壓需要降額設計。正常情況工作電壓要低于額定電壓的50%；高溫環境或負載阻抗較低時，工作電壓要低于額定電壓的30%。具體降額要求應嚴格按照規格書要求。

此外，還需要注意鉭電容的承受反向電壓的情況，交流成分過大，可能會導致鉭電容承受反向電壓，導致鉭電容失效。

固態鉭電容的主要失效模式是短路失效，會直接導致電路無法工作，甚至起火等風險。因此，需要額外注意可靠性設計，降低失效率。

對于一旦失效，就會造成重大事故的產品，建議不要使用固態鉭電容。

額定紋波電流

紋波電流流過鉭電容，由于ESR存在會導致鉭電容溫升，加上環境溫度，不要超過鉭電容的額定溫度以及相關降額設計。

3.4 片狀多層陶瓷電容

片狀多層陶瓷電容應該是出貨量最大的電容，制造商也比較多，像三大日系TDK、muRata、Taiyo Yuden，美系像KEMET、AVX(已經被日本京瓷收購了)。

三大日系做的比較好的就是有相應的選型軟件，有電感、電容等所有系列的產品及相關參數曲線，非常全，不得不再次推薦一下：

3.4.1 Class I電容

Class I電容應用最多的是C0G電容，性能穩定，適用于諧振、匹配、濾波等高頻電路。

C0G電容的容值十分穩定，基本不隨外界條件(頻率除外)變化，下圖是Murata一款1000pF電容的直流、交流及溫度特性。

因此，通常只需要關注C0G電容的頻率特性。下圖是Murata的3款相同封裝(0402inch)相同容差(5%)的10pF電容的頻率特性對比。

其中GRM是普通系列，GJM是高Q值系列、GQM是高頻系列，可見GQM系列高頻性能更好，自諧振頻率和Q值更高，一些高頻性能要求很高的場合，可以選用容差1%的產品。而GRM系列比較便宜，更加通用，例如EMC濾波。

3.4.2 Class II和Class III電容

Class II和Class III電容都是高介電常數介質，性能不穩定，容值變化范圍大，通常用作電源去耦或者信號旁路。

以Murata一款22uF、6.3V、X5R電容為例，相關特性曲線：

容值

Class II和Class III電容，容值隨溫度、DC偏置以及AC偏置變化范圍較大。特別是用作電源去耦時，電容都有一定的直流偏置，電容量比標稱值小很多，所以要注意實際容值是否滿足設計要求。

紋波電流

作為DCDC的輸入和輸出電容，都會有一定的紋波電流，由于ESR的存在會導致一定的溫升。加上環境溫度，不能超過電容的額定溫度，例如X5R電容最高額度溫度是85℃。

通常由于多層陶瓷電容ESR較小，能承受的紋波電流較大。

自諧振頻率

電容由于ESL的存在，都有一個自諧振頻率。大容量的電容，自諧振頻率較低，只有1-2MHz。所以，為了提高電源的高頻效應，大量小容值的去耦電容是必須的。此外，對于開關頻率很高的DCDC芯片，要注意輸入輸出電容的自諧振頻率。

ESR

設計DCDC電路，需要知道輸出電容的ESR，來計算輸出電壓紋波。多層陶瓷電容的ESR通常較低，大約幾到幾十毫歐。

3.5 安規電容

對于我們家用的電子設備，最終都是220V交流市電供電。電源適配器為了減少對電網的干擾，通過相關EMC測試，都會加各種濾波電容。下圖為一個簡易的電路示意圖：

對于L和N之間的電容叫X電容，L、N與PE或GND之間的電容叫Y電容。由于220V交流電具有危險性，會威脅人的人身安全，電子產品都需要滿足相關安規標準，例如GB4943和UL60950的相關測試要求。因此，X 電容和Y電容與這些測試直接相關，所以也叫安規電容。

以抗電強度測試為例，根據標準，L、N側為一次電路，需要與PE或GND之間為基本絕緣。因此，需要在L或N對GND之間加交流1.5kV或者直流2.12kV的耐壓測試，持續近1分鐘，期間相關漏電流不能超過標準規定值。因此，安規電容，有相當高的耐壓要求，同時直流漏電流不能太大。

此外，常用的RJ45網口，為了減小EMI，常用到Bob-Smith電路，如下圖所示：

可以看到電容的耐壓都是2kV以上，因為網口通常有變壓器，220V交流電的L和N到網線有兩個變壓器隔離，是雙重絕緣，L和N到網線之間也要進行抗電強度測試。雙重絕緣，通常要求通過交流3kV或直流4.24kV測試。

因為，安規電容有高耐壓要求，通常使用瓷片電容或者小型薄膜電容。

此外，器件選型還要主要兩點要求：和結構確認器件的長寬高；對插件封裝器件不多時，是不是可以全部使用表貼器件，這樣可以省掉波峰焊的工序。

結語

本文大致介紹了幾類主要的電容的工藝結構，以及應用選型。水平有限，難免疏漏，歡迎指出。同時僅熟悉信息技術設備，對電力電子、軍工等其他行業不了解，所以還有一些其他的電容相關應用無法介紹。

編輯：黃飛

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