電源設計中電容的工作原理與正確選用

電源往往是我們在電路設計過程中最容易忽略的環(huán)節(jié)。作為一款優(yōu)秀的設計，電源設計應當是很重要的，它很大程度影響了整個系統(tǒng)的性能和成本。電源設計中的電容使用，往往又是電源設計中最容易被忽略的地方。

一、電源設計中電容的工作原理

在電源設計應用中，電容主要用于濾波(filter)和退耦/旁路(decoupling/bypass)。濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。根據(jù)觀察某一隨機過程的結果，對另一與之有關的隨機過程進行估計的概率理論與方法。濾波一詞起源于通信理論，它是從含有干擾的接收信號中提取有用信號的一種技術。“接收信號”相當于被觀測的隨機過程，“有用信號”相當于被估計的隨機過程。

濾波主要指濾除外來噪聲，而退耦/旁路(一種，以旁路的形式達到退耦效果，以后用“退耦”代替)是減小局部電路對外的噪聲干擾。很多人容易把兩者搞混。下面我們看一個電路結構：

圖中電源為A和B供電。電流經(jīng)C1后再經(jīng)過一段PCB走線分開兩路分別供給A和B。當A在某一瞬間需要一個很大的電流時，如果沒有C2和C3，那么會因為線路電感的原因A端的電壓會變低，而B端電壓同樣受A端電壓影響而降低，于是局部電路A的電流變化引起了局部電路B的電源電壓，從而對B電路的信號產(chǎn)生影響。同樣，B的電流變化也會對A形成干擾。這就是“共路耦合干擾”。

增加了C2后，局部電路再需要一個瞬間的大電流的時候，電容C2可以為A暫時提供電流，即使共路部分電感存在，A端電壓不會下降太多。對B的影響也會減小很多。于是通過電流旁路起到了退耦的作用。

一般濾波主要使用大容量電容，對速度要求不是很快，但對電容值要求較大。如果圖中的局部電路A是指一個芯片的話，而且電容盡可能靠近芯片的電源引腳。而如果“局部電路A”是指一個功能模塊的話，可以使用瓷片電容，如果容量不夠也可以使用鉭電容或鋁電解電容(前提是功能模塊中各芯片都有了退耦電容— 瓷片電容)。

濾波電容的容量往往都可以從電源芯片的數(shù)據(jù)手冊里找到計算公式。如果濾波電路同時使用電解電容、鉭電容和瓷片電容的話，把電解電容放的離開關電源最近，這樣能保護鉭電容。瓷片電容放在鉭電容后面。這樣可以獲得最好的濾波效果。

退耦電容需要滿足兩個要求，一個是容量需求，另一個是ESR需求。也就是說一個0.1uF的電容退耦效果也許不如兩個0.01uF電容效果好。而且，0.01uF電容在較高頻段有更低的阻抗，在這些頻段內(nèi)如果一個0.01uF電容能達到容量需求，那么它將比0.1uF電容擁有更好的退耦效果。

很多管腳較多的高速芯片設計指導手冊會給出電源設計對退耦電容的要求，比如一款500多腳的BGA封裝要求3.3V電源至少有30個瓷片電容，還要有幾個大電容，總容量要200uF以上…

二、各類電源中電容器的正確選用

電容器作為基本元件在電子線路中起著重要作用，在傳統(tǒng)的應用中，電容器主要用作旁路耦合、電源濾波、隔直以及小信號中的振蕩、延時等。隨著電子線路，特別是電力電子電路的發(fā)展對不同應用場合的電容器提出了不同的特殊要求。

電容器的結構上說起。最簡單的電容器是由兩端的極板和中間的絕緣電介質(zhì)(包括空氣)[1]構成的。通電后，極板帶電，形成電壓(電勢差)，但是由于中間的絕緣物質(zhì)，所以整個電容器是不導電的。不過，這樣的情況是在沒有超過電容器的臨界電壓(擊穿電壓)的前提條件下的。我們知道，任何物質(zhì)都是相對絕緣的，當物質(zhì)兩端的電壓加大到一定程度后，物質(zhì)是都可以導電的，我們稱這個電壓叫擊穿電壓。

電容也不例外，電容被擊穿后，就不是絕緣體了。不過在中學階段，這樣的電壓在電路中是見不到的，所以都是在擊穿電壓以下工作的，可以被當做絕緣體看。但是，在交流電路中，因為電流的方向是隨時間成一定的函數(shù)關系變化的。而電容器充放電的過程是有時間的，這個時候，在極板間形成變化的電場，而這個電場也是隨時間變化的函數(shù)。

1.濾波電容器

交流電(工頻或高頻)經(jīng)整流后需用電容器濾波使輸出電壓平滑，要求電容器容量大，一般多采用鋁電解電容器。鋁電解電容器應用時主要問題是溫度與壽命關系，基本遵循50℃法則。因此在很多要求高溫和高可靠性場合下，應選用長壽命(如5000h 以上，甚至105℃，5000h)電解電容器。一般體積小的電解電容器，其壽命相對較短。

用于DC/DC 開關穩(wěn)壓電源輸入濾波電容器，因開關變換器是以脈沖形式向電源汲取電能，故濾波電容器中流過較大的高頻電流，當電解電容器等效串聯(lián)電阻(ESR)較大時，將產(chǎn)生較大損耗，導致電解電容器發(fā)熱。而低ESR 電解電容器則可明顯減小紋波(特別是高頻紋波)電流產(chǎn)生的發(fā)熱。

用于開關穩(wěn)壓電源輸出整流的電解電容器，要求其阻抗頻率特性在300kHz 甚至500kHz時仍不呈現(xiàn)上升趨勢。而普通電解電容器在100kHz 后就開始呈現(xiàn)上升趨勢，用于開關電源輸出整流濾波效果相對較差。筆者在實驗中發(fā)現(xiàn)，普通CDII 型中4700μF，16V 電解電容器，用于開關電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF 型4700μF，16V 高頻電解電容器的低，同時普通電解電容器溫升相對較高。當負載為突變情況時，用普通電解電容器的瞬態(tài)響應遠不如高頻電解電容器。

由于鋁電解電容器在高頻段不能很好地發(fā)揮作用，應輔之以高頻特性好的陶瓷或無感薄膜電容器，其主要優(yōu)點是：高頻特性好，ESR 低，如MMK5 型容量1μF 電容器，諧振頻率達2MHz 以上，等效阻抗小于0.02Ω，遠低于電解電容器，而且容量越小諧振頻率越高(可達50MHz 以上)，這樣將得到很好的電源的輸出頻率響應或動態(tài)響應。

濾波電容在開關電源中起著非常重要的作用，如何正確選擇濾波電容，尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個工程技術人員十分關心的問題。

50赫茲工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動電壓頻率僅為100赫茲，充放電時間是毫秒數(shù)量級。為獲得更小的脈動系數(shù)，所需的電容量高達數(shù)十萬微法，因此普通低頻鋁電解電容器的目標是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。而開關電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達數(shù)萬赫茲，甚至是數(shù)十兆赫茲。這時電容量并不是其主要指標，衡量高頻鋁電解電容優(yōu)劣的標準是“阻抗- 頻率”特性。要求在開關電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗，同時對于半導體器件工作時產(chǎn)生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。

許多電子設計者都知道濾波電容在電源中起的作用，但在開關電源輸出端用的濾波電容上，與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣，其上的脈動電壓頻率僅有 100 赫茲，充放電時間是毫秒數(shù)量級，為獲得較小的脈動系數(shù)，需要的電容量高達數(shù)十萬微法，因而一般低頻用普通鋁電解電容器制造，目標是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。

在開關穩(wěn)壓電源中作為輸出濾波用的電解電容器，其上鋸齒波電壓的頻率高達數(shù)十千赫，甚至數(shù)十兆赫，它的要求和低頻應用時不同，電容量并不是主要指標，衡量它好壞的則是它的阻抗一頻率特性，要求它在開關穩(wěn)壓電源的工作頻段內(nèi)要有低的等的阻抗，同時，對于電源內(nèi)部，由于半導體器件開始工作所產(chǎn)生高達數(shù)百千赫的尖峰噪聲，亦能有良好的濾波作用，一般低頻用普通電解電容器在10 千赫左右，其阻抗便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關電源使用要求。

普通的低頻電解電容器在萬赫茲左右便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關電源的使用要求。而開關電源專用的高頻鋁電解電容器有四個端子，正極鋁片的兩端分別引出作為電容器的正極，負極鋁片的兩端也分別引出作為負極。電流從四端電容的一個正端流入，經(jīng)過電容內(nèi)部，再從另一個正端流向負載;從負載返回的電流也從電容的一個負端流入，再從另一個負端流向電源負端。

開關穩(wěn)壓電源專用的高頻鋁電解電容器，它有四端個子，正極鋁片的兩端分別引出作為電容器的正極，負極鋁片的兩端也分別引出作為負極。穩(wěn)壓電源的電流從四端電容的一個正端流入，經(jīng)過電容內(nèi)部，再從另一個正端流向負載;從負載返回的電流也從電容的一個負端流入，再從另一個負端流向電源負端。因為四端電容具有良好的高頻特性，它為減小輸出電壓的脈動分量以及抑制開關尖峰噪聲提供了極為有利的手段。

開關穩(wěn)壓電源具有多功能綜合保護：穩(wěn)壓器除了最基本的穩(wěn)定電壓功能以外，還應具有過壓保護(超過輸出電壓的+10%)、欠壓保護(低于輸出電壓的 -10%)、缺相保護、短路過載保護最基本的保護功能。尖脈沖抑制(可選)：電網(wǎng)有時會出現(xiàn)幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會擊穿耐壓較低的電子元件。穩(wěn)壓電源的抗浪涌組件能夠?qū)@樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。

高頻鋁電解電容器還有多芯的形式，它將鋁箔分成較短的若干小段，用多引出片并聯(lián)連接以減小容抗中的電阻成份，同時，采用低電阻率的材料并用螺桿作為引出端子，以增強電容器承受大電流的能力。

疊片電容也稱為無感電容，一般電解電容器的芯子都卷成圓柱形，等效串聯(lián)電感較大;疊片電容的結構和書本相仿，因流過電流產(chǎn)生的磁通方向相反而被抵消，因而降低了電感的數(shù)值，具有更為優(yōu)良的高頻特性，這種電容一般做成方形，便于固定，還可以適當減小占機體積。

圖 電容降壓電源電路

2.吸收與換相電容器

隨著柵控半導體器件的額定功率越做越大，開關速度越來越快，額定電壓越來越高，對緩沖電路的電容器僅僅要求足夠的耐壓、容量及優(yōu)異的高頻特性是不夠的。

在大功率電力電子電路中，由于IGBT 的開關速度已小于1μs，要求吸收電路電容器上的電壓變化速率dv/dt》 V/μs 已是很正常的，有的要求 V/μs 甚至 V/μs。

對于普通電容器，特別是普通金屬化電容器的dv/dt《100V/μs，特殊金屬化電容器的dv/dt≤200V/μs，專用雙金屬化電容器小容量(小于10nF)的dv/dt≤1500V/μs，較大容量(小于0.1μF)的則為600V/μs，在這種巨大且重復率很高的峰值電流沖擊下是很難承受的。損壞電力電子電路的現(xiàn)象。

目前吸收電路專用電容器，即金屬箔電極可承受較大的峰值電流和有效值電流沖擊，如：較小容量(10nF 以下)的可承受100000V/μs～455000V/μs 的電壓變化率、3700A 峰值電流和達9A 有效值電流(如CDV30FH822J03);較大容量(大于10nF，小于0.47μF)或較大尺寸的可承受大于3400V/μs 以及1000A 峰值電流的沖擊。

由此可見，盡管同是無感電容、金屬化和金屬箔電容，應用在吸收電路中將有不同的表現(xiàn)，外形相近但規(guī)格不同在這里是絕對不能互換的。電容器的尺寸將影響電容器的dv/dt 及峰值電流的耐量，一般而言，長度越大dv/dt 和峰值電流則相對較小。

吸收電路中電容器的工作特點是高峰值電流占空比小，有效值電流不十分高，與這種電路相似的還有晶閘管逆變器的換相電容器，盡管這種電容器要求的dv/dt 較吸收電容器小，但峰值電流與有效值電流均較大，采用普通電容器在電流方面不能滿足要求。

在某些特殊應用中要求儲能電容器反復急促放電，而且放電回路電阻極低、寄生電感很小，在這種場合下只能將吸收電容并聯(lián)使用以保證長期使用的可靠性。

3.諧振電容器

諧振式變換器，如諧振式開關穩(wěn)壓電源及晶閘管中頻電源諧振回路中的諧振電容器，工作時往往流過很大電流。又如電子鎮(zhèn)流器的諧振電容規(guī)格選擇不當時，會出現(xiàn)電容上電壓雖沒達到擊穿電壓但由于流過較大的諧振電流而損壞的現(xiàn)象。

在含有電容和電感的電路中，如果電容和電感并聯(lián)，可能出現(xiàn)在某個很小的時間段內(nèi)：電容的電壓逐漸升高，而電流卻逐漸減少;與此同時電感的電流卻逐漸增加，電感的電壓卻逐漸降低。而在另一個很小的時間段內(nèi)：電容的電壓逐漸降低，而電流卻逐漸增加;與此同時電感的電流卻逐漸減少，電感的電壓卻逐漸升高。電壓的增加可以達到一個正的最大值，電壓的降低也可達到一個負的最大值，同樣電流的方向在這個過程中也會發(fā)生正負方向的變化，此時我們稱為電路發(fā)生電的振蕩。

電路振蕩現(xiàn)象可能逐漸消失，也可能持續(xù)不變地維持著。當震蕩持續(xù)維持時，我們稱之為等幅振蕩，也稱為諧振。

諧振時間電容或電感兩鍛電壓變化一個周期的時間稱為諧振周期，諧振周期的倒數(shù)稱為諧振頻率。所謂諧振頻率就是這樣定義的。

綜上所述，在現(xiàn)代電源技術中，不同應用場合需要不同性能的電容器，不能混用、濫用、錯用，以盡可能消除不應出現(xiàn)的損壞，并保證產(chǎn)品性能。

三、電容降壓式電源設計實例

將交流市電轉為低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，當受體積和成本等因素限制時，最簡單實用的方法就是采用電容降壓式電源。

1.電容降壓式電源電路原理

電容降壓式簡易電源的基本電路如圖1，C1為降壓電容器，D2為半波整流二極管，D1在市電的負半周時給C1提供放電回路，D3是穩(wěn)壓二極管，R1 為關斷電源后C1的電荷泄放電阻。在實際應用時常常采用的是圖2的所示的電路。當需要向負載提供較大的電流時，可采用圖3所示的橋式整流電路。整流后未經(jīng)穩(wěn)壓的 直流電壓一般會高于30伏，并且會隨負載電流的變化發(fā)生很大的波動，這是因為此類電源內(nèi)阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應用場合。

2.阻容降壓電路的器件選擇原則

(1)電路設計時，應先測定負載電流的準確值，然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。多余的電流就會流過穩(wěn)壓管，若穩(wěn)壓管的最 大允許電流Idmax小于Ic-Io時易造成穩(wěn)壓管燒毀。

(2)為保證C1可靠工作，其耐壓選擇應大于兩倍的電源電壓。

(3)泄放電阻R1的選擇必須保證在要求的時間內(nèi)泄放掉C1上的電荷。

3.設計舉例

圖2中，已知C1為0.33μF，交流輸入為220V/50Hz，求電路能供給負載的最大電流。

C1在電路中的容抗Xc為：Xc=1 /(2 πf C)= 1/(2*3.14*50*0.33*10-6)= 9.65K流過電容器C1的充電電流(Ic)為：Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。

通常降壓電容C1的容量C與負載電流Io的關系可近似認為：C=14.5 I，其中C的容量單位是μF，Io的單位是A。

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審核編輯：湯梓紅