濾波電容的容量越大越好嗎？

濾波電容（filter capacitor ） 通常并聯(lián)在直流脈動電源兩端，以達(dá)到 降低交流脈動電壓（紋波系數(shù)） ，繼而提升直流輸出平滑度的應(yīng)用電容。

電容器作為濾波目的而應(yīng)用在電路中，可能是大多數(shù)讀者開始學(xué)習(xí)電容概念時最先接觸到的，最常見、最簡單的單個電容濾波電路如下圖所示：

其相關(guān)的輸入輸出波形如下圖所示：

電容濾波電路原理非常簡單：當(dāng)輸入脈動電壓ui高于濾波電容兩端電壓時就對電容充電，而當(dāng)輸入脈動電壓ui低于濾波電容兩端電壓時，濾波電容開始放電承擔(dān)對負(fù)載提供電量的責(zé)任，補(bǔ)償了輸入脈動電壓ui的下降趨勢，從而達(dá)到降低脈動電壓的脈動程度（紋波系數(shù)）。我們也曾經(jīng)被教育過：濾波電容越大，則濾波后的輸出電壓紋波越小。

濾波電容并聯(lián)在整流電路之后是最為常見的應(yīng)用，我們用下圖所示的橋式整流濾波電路來仿真一下濾波電容的大容量帶來的好處：

這里我們在全橋整流電路后并聯(lián)一個容量較小的濾波電容C1（10uF），其相關(guān)輸入輸出波形如下圖所示：

我們測量一下輸出電壓的脈動大小（紋波電壓），大概是64V左右。結(jié)果確實是慘了點(diǎn)，我們再換個大點(diǎn)的濾波電容（100uF）重新仿真一下，其相關(guān)波形如下圖所示：

紋波電壓約為20V，咱們再接再厲選個更大點(diǎn)的濾波電容（1000uF），其波形如下圖所示：

其紋波電壓約為4.24V。當(dāng)濾波電容為4700uF時，其波形如下圖所示：

看起來跟濾波電容為1000uF時的波形沒有多大區(qū)別，實際測試輸出紋波電壓約為1.35V。

從上面的仿真數(shù)據(jù)可以看出，濾波電容的容量越大，則輸出電壓的紋波越?。ㄔ狡交@自然是一件相對更美好的事情，這里我們不禁有兩個問題要確定一下：

1 、濾波電容的容量是不是越大越好呢？

2 、濾波電容的容量多少才是最合適的呢？

我們在前述文章《旁路電容與去耦電容》中詳細(xì)討論過兩者的區(qū)別與聯(lián)系，并且順便也提到過： 濾波電容本質(zhì)就是旁路電容 ，因此，我們自然會想到使用旁路電容的選擇依據(jù)來選擇濾波電容，可以嗎？當(dāng)然！

旁路電容的最大容量限制主要是自諧振頻率（具體參考前述文章，此外不再贅述），我們只需要通過公式計算一下實際電容的自諧振頻率，就可以確定該容量的濾波電容能否應(yīng)用在對應(yīng)電路中（下圖來自VISHAY鋁電解電容038 RSU數(shù)據(jù)手冊）

我們就選擇這個系列的最大容量 22000uF（22mF），同時從數(shù)據(jù)手冊中查到對應(yīng)的串聯(lián)等效電感ESL，如下圖所示：

43F （法拉） ，My God！很少有應(yīng)用電路會使用這么大的電容（恕在下孤陋寡聞，我還沒見過這么大的電容，應(yīng)該可以抱著睡覺吧JJ），因此，單純從自諧振頻率來講，這并不是限制濾波電容容量極大值的理由。這就如同你天天擔(dān)驚受怕：如果我長得比天還高怎么辦！不用擔(dān)心，先把你們家門框給擠掉再說。

但是開關(guān)電源就不一樣了，我們看看開關(guān)電源的BUCK變換器，如下圖所示：

其中，輸出儲能電容C1也算是濾波電容。開關(guān)電源的開關(guān)切換頻率有幾百KHz甚至幾MHz，從單純的自諧振頻率來看，上述1000 uF濾波電容不能夠使用的，而且這樣的考慮也是完全正確合理的。

但是如果存在一個理想的超級大容量濾波電容，其ESL為0，那我們是不是仍然可以使用呢？從開關(guān)電源的原理來講，好像是可以的！然而，濾波電容的容量過大并不是一件看似美好的事情。

首先，毫無疑問， 容量越大則成本越高 ，但更重要的是，濾波容量大到一定程度，電容容量所帶來的好處會越少。

如前述橋式整流濾波的仿真效果，濾波電容的容量從10uF到100uF，紋波電壓改善是64V-22V=42V，從100uF到1000uF的紋波改善值為22V-4.24V=19.6V，而從1000uF到4700uF的紋波改善值就只有4.24-1.35=2.89V了，如下圖所示：

很明顯可以看到，濾波電容的容量越大，相應(yīng)的紋波電壓是下降了，但是濾波電容越大，則能夠獲得的好處就更少了，從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度看，就是邊際效益越小（性價比低），不值得這么做；

其二， 濾波容量過大的必要性。 如果一件事情沒有執(zhí)行的必要，那我們就沒有必要去執(zhí)行，這看來是句廢話，然而這也是電路設(shè)計中遵循的適用性法則（夠用就好）。

當(dāng)輸入脈動直流電壓的紋波電壓經(jīng)濾波電容（電路）后被控制在允許的范圍之內(nèi)，盡管此時輸出的直流電壓還有些波動（不是十分穩(wěn)定），但我們認(rèn)為濾波電容的歷史使命已經(jīng)圓滿完成，濾波電路后面還會有穩(wěn)壓電路進(jìn)行更為精確地穩(wěn)壓，如下圖所示：

電路系統(tǒng)中的每一個部分都有其主要職責(zé)，我們沒有必要花費(fèi)更多的精力讓濾波電路去執(zhí)行它并不擅長的任務(wù)，這與每個人都應(yīng)當(dāng)做其最擅長的事情也是一樣的道理，文章最開始我們就已經(jīng)講述了濾波電容存在的目的： 降低交流脈動電壓（紋波系數(shù)） ，而不是用來輸出穩(wěn)定的電壓；

其三， 濾波電容過大的可行性 。濾波電容的容量過大，則充電電流（紋波電流）也會越大，過大的紋波電流對電路系統(tǒng)是一個致命的傷害。

如果說上面兩點(diǎn)不成為你使用更大容量的濾波電容的理由（比如，你說你有錢任性，我就想做最好的產(chǎn)品感恩社會，報效祖國，花多點(diǎn)錢不在乎），但在紋波電流的限制下，你想使用容量過大的電容都不行（濾波電容會說：你要做好產(chǎn)品我不管，但你要把我弄得太大，搞不好把電路損壞了，這鍋我不背）。

大多數(shù)讀者可能對紋波電壓都有所了解，但其實相應(yīng)的也還有紋波電流（ Ripplecurrent ） ，它的定義是：在最高工作溫度條件下，電容器最大所能承受的交流紋波電流的RMS值（有效值），并且指定的紋波為頻率范圍（100Hz～120Hz）的正弦波。

紋波電流在電壓上的表現(xiàn)就是脈動電壓（紋波），電容器所能承受的最大允許紋波電流受溫度、損耗角度及交流頻率等參數(shù)的限制，在數(shù)據(jù)手冊中通常用 IR來表示，如下圖所示的紋波電流：

該系列電解電容的紋波電流如下圖所示：

上圖是耐壓值為25V的濾波電容的部分?jǐn)?shù)據(jù)，相同工藝及容量下，耐壓越高則相應(yīng)的紋波允許電流也越高，那濾波電容的容量過大為什么又會產(chǎn)生更大的紋波電流呢？

對于同樣的橋式整流濾波電路，當(dāng)濾波電容的容量過大時，其相關(guān)波形如下圖所示：

在電路系統(tǒng)剛剛上電時，濾波電容兩端的電壓為零，此時輸入脈動電壓ui會逐漸升高，并同時對濾波電容進(jìn)行充電，如果濾波電容的容量過大，則電容充電的速度會比較慢（電壓上升慢），當(dāng)輸入脈動電壓ui達(dá)到峰值時，此時的輸入峰值電壓與濾波電容兩端的電壓差最高的，并且兩者之間沒有任何阻抗，如下圖所示：

高壓低阻狀態(tài)就會引起瞬間大電流，濾波電容的容量越大，則瞬間的充電（紋波）電流也越大，此時電路的狀態(tài)就等效于下圖所示：

這種瞬間電流（也稱變浪涌電流）很可能超出濾波電容的最大紋波電流，從而將損壞濾波電容，如果由此引起濾波電容短路故障，則其它相關(guān)元器件（如整流二極管、保險絲、開關(guān)管）也可能在一瞬間報銷。

當(dāng)然，很多情況下電源濾波電容必須要很大，因此就必須添加相應(yīng)的保護(hù)電路，比如，我們可以串一個限流電阻在電路中，再額外使用繼電器進(jìn)行開關(guān)控制，如下圖所示：

當(dāng)電源剛剛上電時，繼電器開關(guān)斷開，此時限流電阻R1串聯(lián)在電路中，以防止出現(xiàn)過大的紋波電流，而當(dāng)濾波電容已經(jīng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，我們將繼電器開關(guān)閉合，將限流電阻R1短接，這樣可以避免限流電阻R1消耗不必要的電能。