電容濾波的計算方法及電源濾波電容選用技巧

本文主要是關(guān)于電容濾波的相關(guān)介紹，并著重對電容濾波的計算方法及電源濾波電容選用技巧進(jìn)行了詳盡的闡述。

電容濾波

安裝在整流電路兩端用以降低交流脈動波紋系數(shù)提升高效平滑直流輸出的一種儲能器件，通常把這種器件稱其為濾波電容。由于濾波電路要求儲能電容有較大電容量。所以，絕大多數(shù)濾波電路使用電解電容。電解電容由于其使用電解質(zhì)作為電極（負(fù)極）而得名。電解電容的一端為正極，另一端為負(fù)極，不能接反。正極端連接在整流輸出電路的正端，負(fù)極連接在電路的負(fù)端。在所有需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路中，設(shè)置濾波電容會使電子電路的工作性能更加穩(wěn)定，同時也降低了交變脈動波紋對電子電路的干擾。濾波電容在電路中的符號一般用“C“表示，電容量應(yīng)根據(jù)負(fù)載電阻和輸出電流大小來確定。當(dāng)濾波電容達(dá)到一定容量后，加大電容容量反而會對其他一些指標(biāo)產(chǎn)生有害影響。

濾波電容的特點

1、溫升低

諧波濾波器回路由電容器串聯(lián)電抗器組成，在某一諧波階次形成最低阻抗，用以吸收大量諧波電流，電容器的質(zhì)量會影響諧波濾波器的穩(wěn)定吸收效果，電容器的使用壽命跟溫度有很大的關(guān)系，溫度越高壽命越低，濾波全膜電容器具有溫升低等特點，可以保證其使用壽命。

2、損耗低

介質(zhì)損耗角正切值（tgδ）：≤0.0003

3、安全性

符合GB、IEC標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部單體電容器均附裝保護(hù)裝置；當(dāng)線路或單體電容器發(fā)生異常時，該保護(hù)裝置將會立即動作，自動切斷電源，以防二次災(zāi)害的發(fā)生。附裝放電電阻，可確保用電及維護(hù)保養(yǎng)之安全。外殼采用鋼板沖壓而成，內(nèi)外部涂上耐候性良好之高溫烤漆安全性特高。

4、便捷性

體積小且重量輕，搬運安裝極為方便

濾波電容用在電源整流電路中，用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。而且對于精密電路而言，往往這個時候會采用并聯(lián)電容電路［1］的組合方式來提高濾波電容的工作效果。

低頻濾波電容主要用于市電濾波或變壓器整流后的濾波，其工作頻率與市電一致為50Hz；而高頻濾波電容主要工作在開關(guān)電源整流后的濾波，其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。濾波電容在開關(guān)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(shù)人員十分關(guān)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(dá)數(shù)十萬微法，因此普通低頻鋁電解電容器的目標(biāo)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(guān)電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達(dá)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(biāo)，衡量高頻鋁電解電容優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是“阻抗-頻率”特性。要求在開關(guān)電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗，同時對于半導(dǎo)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。

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(guān)電源的使用要求。而開關(guān)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(fù)極鋁片的兩端也分別引出作為負(fù)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(fù)載；從負(fù)載返回的電流也從電容的一個負(fù)端流入，再從另一個負(fù)端流向電源負(fù)端。

電容濾波的計算方法

橋式整流電路的濾波電容取值在工程設(shè)計中，一般由兩個切入點來計算。

一是根據(jù)電容由整流電源充電與對負(fù)載電阻放電的周期，再乘上一個系數(shù)來確定的，另一個切入點是根據(jù)電源濾波輸出的波紋系數(shù)來計算的，無論是采用那個切入點來計算濾波電容都需要依據(jù)橋式整流的最大輸出電壓和電流這兩個數(shù)值。通常比較多的是根據(jù)電源濾波輸出波紋系數(shù)這個公式來計算濾波電容。

C》0.289/{f&TImes;（U/I）&TImes;ACv}

C，是濾波電容，單位為F。

0.289，是由半波阻性負(fù)載整流電路的波紋系數(shù)推演來的常數(shù)。

f，是整流電路的脈沖頻率，如50Hz交流電源輸入，半波整流電路的脈沖頻率為50Hz，全波整流電路的脈沖頻率為100Hz。單位是Hz。

U，是整流電路最大輸出電壓，單位是V。

I，是整流電路最大輸出電流，單位是A。

ACv，是波紋系數(shù)，單位是%。

例如，橋式整流電路，輸出12V，電流300mA，波紋系數(shù)取8%，濾波電容為：

C》0.289/{100Hz&TImes;（12V/0.3A）&TImes;0.08}

濾波電容約等于0.0009F，電容取1000uF便能滿足基本要求。

電源濾波電容選用技巧

電感的阻抗與頻率成正比，電容的阻抗與頻率成反比。所以，電感可以阻扼高頻通過，電容可以阻扼低頻通過。二者適當(dāng)組合，就可過濾各種頻率信號。如在整流電路中，將電容并在負(fù)載上或?qū)㈦姼写?lián)在負(fù)載上，可濾去交流紋波。

電容濾波屬電壓濾波，是直接儲存脈動電壓來平滑輸出電壓，輸出電壓高，接近交流電壓峰值；適用于小電流，電流越小濾波效果越好。

電感濾波屬電流濾波，是靠通過電流產(chǎn)生電磁感應(yīng)來平滑輸出電流，輸出電壓低，低于交流電壓有效值；適用于大電流，電流越大濾波效果越好。電容和電感的很多特性是恰恰相反的。

一般情況下，電解電容的作用是過濾掉電流中的低頻信號，但即使是低頻信號，其頻率也分為了好幾個數(shù)量級。因此為了適合在不同頻率下使用，電解電容也分為高頻電容和低頻電容（這里的高頻是相對而言）。

低頻濾波電容主要用于市電濾波或變壓器整流后的濾波，其工作頻率與市電一致為50Hz；而高頻濾波電容主要工作在開關(guān)電源整流后的濾波，其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。當(dāng)我們將低頻濾波電容用于高頻電路時，由于低頻濾波電容高頻特性不好，它在高頻充放電時內(nèi)阻較大，等效電感較高。因此在使用中會因電解液的頻繁極化而產(chǎn)生較大的熱量。而較高的溫度將使電容內(nèi)部的電解液氣化，電容內(nèi)壓力升高，最終導(dǎo)致電容的鼓包和爆裂。

電源濾波電容的大小，平時做設(shè)計，前級用4.7u，用于濾低頻，二級用0.1u，用于濾高頻，4.7uF的電容作用是減小輸出脈動和低頻干擾，0.1uF的電容應(yīng)該是減小由于負(fù)載電流瞬時變化引起的高頻干擾。一般前面那個越大越好，兩個電容值相差大概100倍左右。電源濾波，開關(guān)電源，要看你的ESR（電容的等效串聯(lián)電阻）有多大，而高頻電容的選擇最好在其自諧振頻率上。大電容是防止浪涌，機理就好比大水庫防洪能力更強一樣；小電容濾高頻干擾，任何器件都可以等效成一個電阻、電感、電容的串并聯(lián)電路，也就有了自諧振，只有在這個自諧振頻率上，等效電阻最小，所以濾波最好！

電容的等效模型為一電感Ｌ，一電阻Ｒ和電容Ｃ的串聯(lián)，

電感Ｌ為電容引線所至，電阻Ｒ代表電容的有功功率損耗，電容Ｃ。

因而可等效為串聯(lián)ＬＣ回路求其諧振頻率，串聯(lián)諧振的條件為WL=1/WC，W=2*PI*f，從而得到此式子f = 1/（2pi* LC）。，串聯(lián)ＬＣ回路中心頻率處電抗最小表現(xiàn)為純電阻，所以中心頻率處起到濾波效果。引線電感的大小因其粗細(xì)長短而不同，接地電容的電感一般是１ＭＭ為10nＨ左右，取決于需要接地的頻率。

采用電容濾波設(shè)計需要考慮參數(shù)：

ESR

ESL

耐壓值

諧振頻率

那么如何選取電源濾波電容呢？

電源濾波電容如何選取，掌握其精髓與方法，其實也不難

1、理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少（1/jwc），但由于電容兩端引腳的電感效應(yīng)，這時電容應(yīng)該看成是一個LC串連諧振電路，自諧振頻率即器件的FSR參數(shù)，這表示頻率大于SFR值時，電容變成了一個電感，如果電容對地濾波，當(dāng)頻率超出SFR后，對干擾的抑制就大打折扣，所以需要一個較小的電容并聯(lián)對地。原因在于小電容，SFR值大，對高頻信號提供了一個對地通路。

所以在電源濾波電路中我們常常這樣理解：大電容濾低頻，小電容濾高頻，根本的原因在于SFR（自諧振頻率）值不同，想想為什么？如果從這個角度想，也就可以理解為什么電源濾波中電容對地腳為什么要盡可能靠近地了。

2、那么在實際的設(shè)計中，我們常常會有疑問，我怎么知道電容的SFR是多少？就算我知道SFR值，我如何選取不同SFR值的電容值呢？是選取一個電容還是兩個電容？

電容的SFR值和電容值有關(guān)，和電容的引腳電感有關(guān)，所以相同容值的0402，0603，或直插式電容的SFR值也不會相同，當(dāng)然獲取SFR值的途徑有兩個：

1） 器件Data sheet，如22pf，0402電容的SFR值在2G左右

2） 通過網(wǎng)絡(luò)分析儀直接量測其自諧振頻率，想想如何測量S21？

知道了電容的SFR值后，用軟件仿真，如RFsim99，選一個或兩個電路在于你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的噪聲抑制比。仿真完后，那就是實際電路試驗，如調(diào)試手機接收靈敏度時，LNA的電源濾波是關(guān)鍵，好的電源濾波往往可以改善幾個dB。

電容的本質(zhì)是通交流，隔直流，理論上說電源濾波用電容越大越好。但由于引線和PCB布線原因，實際上電容是電感和電容的并聯(lián)電路，（還有電容本身的電阻，有時也不可忽略）這就引入了諧振頻率的概念：ω=1/（LC）1/2

在諧振頻率以下電容呈容性，諧振頻率以上電容呈感性。因而一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波。

這也能解釋為什么同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高。

至于到底用多大的電容，這是一個參考電容諧振頻率

電容值

DIP（MHz）

STM（MHz）

10PF

800

1.6（GHz）

100PF

200

500

1000PF

80

160

0.01uF

25

50

0.1uF

8

16

1uF

2.5

5

不過僅僅是參考而已，老工程師說主要靠經(jīng)驗。

更可靠的做法是將一大一小兩個電容并聯(lián)，

一般要求相差兩個數(shù)量級以上，以獲得更大的濾波頻段。

以上文章來源戳這里

看了這篇文章，也做個粗略的總結(jié)吧：

1. 電容對地濾波，需要一個較小的電容并聯(lián)對地，對高頻信號提供了一個對地通路。

2. 電源濾波中電容對地腳要盡可能靠近地。

3. 理論上說電源濾波用電容越大越好，一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波。

4. 可靠的做法是將一大一小兩個電容并聯(lián)，一般要求相差兩個數(shù)量級以上，以獲得更大的濾波頻段。

濾波電容的選取原則

經(jīng)過整流橋以后的是脈動直流，波動范圍很大。后面一般用大小兩個電容；

大電容用來穩(wěn)定輸出，眾所周知電容兩端電壓不能突變，因此可以使輸出平滑；

小電容是用來濾除高頻干擾的，使輸出電壓純凈；

電容越小，諧振頻率越高，可濾除的干擾頻率越高；

容量選擇

大電容，負(fù)載越重，吸收電流的能力越強，這個大電容的容量就要越大

小電容，憑經(jīng)驗，一般104即可

具體案例

1. AC220-9V再經(jīng)過全橋整流后，需加的濾波電容是多大的？ 再經(jīng)78LM05后需加的電容又是多大？

前者電容耐壓應(yīng)大于15V，電容容量應(yīng)大于2000微發(fā)以上。 后者電容耐壓應(yīng)大于9V，容量應(yīng)大于220微發(fā)以上。

2.有一電容濾波的單相橋式整流電路，輸出電壓為24V，電流為500mA，要求：

（1）選擇整流二極管；

（2）選擇濾波電容；

（3）另：電容濾波是降壓還是增壓？

（1）因為橋式是全波，所以每個二極管電流只要達(dá)到負(fù)載電流的一半就行了，所以二極管最大電流要大于250mA；電容濾波式橋式整流的輸出電壓等于輸入交流電壓有效值的1.2倍，所以你的電路輸入的交流電壓有效值應(yīng)是20V，而二極管承受的最大反壓是這個電壓的根號2倍，所以，二極管耐壓應(yīng)大于28.2V。

（2）選取濾波電容：

1、電壓大于28.2V；

2、求C的大?。汗絉C≥（3–5）×0.1秒，本題中R=24V/0.5A=48歐

所以可得出C≥（0.00625–0.0104）F，即C的值應(yīng)大于6250μF。

（3）電容濾波是升高電壓。

濾波電容的選用原則

在電源設(shè)計中，濾波電容的選取原則是： C≥2.5T/R

其中： C為濾波電容，單位為UF;

T為頻率， 單位為Hz

R為負(fù)載電阻，單位為Ω

當(dāng)然，這只是一般的選用原則，在實際的應(yīng)用中，如條件（空間和成本）允許，都選取C≥5T/R。

濾波電容的大小的選取

PCB制版電容選擇

印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時。操作它們時均會產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC吸收電路來吸收放電電流。一般R取1~2kΩ，C取2.2~4.7μF。

一般的10PF左右的電容用來濾除高頻的干擾信號，0.1UF左右的用來濾除低頻的紋波干擾，還可以起到穩(wěn)壓的作用。

濾波電容具體選擇什么容值要取決于你PCB上主要的工作頻率和可能對系統(tǒng)造成影響的諧波頻率，可以查一下相關(guān)廠商的電容資料或者參考廠商提供的資料庫軟件，根據(jù)具體的需要選擇。至于個數(shù)就不一定了，看你的具體需要了，多加一兩個也挺好的，暫時沒用的可以先不貼，根據(jù)實際的調(diào)試情況再選擇容值。如果你PCB上主要工作頻率比較低的話，加兩個電容就可以了，一個慮除紋波，一個慮除高頻信號。如果會出現(xiàn)比較大的瞬時電流，建議再加一個比較大的鉭電容。

其實濾波應(yīng)該也包含兩個方面，也就是各位所說的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。原理我就不說了，實用點的，一般數(shù)字電路去耦0.1uF即可，用于10M以下；20M以上用1到10個uF，去除高頻噪聲好些，大概按C=1/f 。旁路一般就比較的小了，一般根據(jù)諧振頻率一般為0.1或0.01uF。

說到電容，各種各樣的叫法就會讓人頭暈?zāi)垦?，旁路電容，去耦電容，濾波電容等等，其實無論如何稱呼，它的原理都是一樣的，即利用對交流信號呈現(xiàn)低阻抗的特性，這一點可以通過電容的等效阻抗公式看出來：Xcap=1/2лfC，工作頻率越高，電容值越大則電容的阻抗越小。

在電路中，如果電容起的主要作用是給交流信號提供低阻抗的通路，就稱為旁路電容；如果主要是為了增加電源和地的交流耦合，減少交流信號對電源的影響，就可以稱為去耦電容；如果用于濾波電路中，那么又可以稱為濾波電容；除此以外，對于直流電壓，電容器還可作為電路儲能，利用沖放電起到電池的作用。而實際情況中，往往電容的作用是多方面的，我們大可不必花太多的心思考慮如何定義。本文里，我們統(tǒng)一把這些應(yīng)用于高速PCB設(shè)計中的電容都稱為旁路電容。

結(jié)語

關(guān)于電容濾波的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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