浅析电子之滤波电容选择

　　滤波电容

 

　　电容是两个彼此靠近又相互绝缘的导体。

 

　　滤波电容是指安装在整流电路两端用以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出的一种储能器件。由于滤波电路要求储能电容有较大电容量。所以，绝大多数滤波电路使用电解电容。电解电容由于其使用电解质作为电极（负极）而得名。

 

　　作用

 

　　滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。而且对于精密电路而言，往往这个时候会采用并联电容电路的组合方式来提高滤波电容的工作效果。

 

　　低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为50Hz；而高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。滤波电容在开关电源中起著非常重要的作用，如何正确选择滤波电容，尤其是输出滤波电容的选择则是每个工程技术人员十分关心的问题。

 

　　50赫兹工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100赫兹，充放电时间是毫秒数量级。为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万微法，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数万赫兹，甚至是数十兆赫兹。这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗- 频率”特性。要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。

 

　　普通的低频电解电容器在万赫兹左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载；从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端 ［3］ 。

 

　　分类

 

　　一般情况下，电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号，但即使是低频信号，其频率也分为了好几个数量级。因此为了适合在不同频率下使用，电解电容也分为高频电容和低频电容（这里的高频是相对而言）：

 

　　（1）低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率和市电一致为50Hz。

 

　　（2）高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。

 

　　特点

 

　　温升低

 

　　谐波滤波器回路由电容器串联电抗器组成，在某一谐波阶次形成最低阻抗，用以吸收大量谐波电流，电容器的质量会影响谐波滤波器的稳定吸收效果，电容器的使用寿命跟温度有很大的关系，温度越高寿命越低，滤波全膜电容器具有温升低等特点，可以保证其使用寿命。

 

　　损耗低

 

　　介质损耗角正切值（tgδ）：≤0.0003。

 

　　安全性

 

　　符合GB、IEC标准，内部单体电容器均附装保护装置；当线路或单体电容器发生异常时，该保护装置将会立即动作，自动切断电源，以防二次灾害的发生。附装放电电阻，可确保用电及维护保养之安全。外壳采用钢板冲压而成，内外部涂上耐候性良好之高温烤漆安全性特高。

 

　　便捷性

 

　　体积小且重量轻，搬运安装极为方便

　　对于低频率电路来说，滤波电容越大，纹波越小，滤波效果越好，但滤波电容越大，其等效串联电阻也越大，电源的高频内阻也越大，一般在大容量滤波电容的两端都会并联上一个小容量的无极性CBB电容，降低电源的高频内阻。提高滤波效果。

　　另外，滤波电容太大，电路在上电瞬间，电源对电容的充电电流会达到很大值，如果充电电流过大，超过了整流二极管的IF，二极管会烧掉。

　　深入理解电容器的等效串联电阻（ESR）

　　电容器的主要技术指标有电容量、耐压值、耐温值。除了这三个主要指标外，其他指标中较重要的就是等效串联电阻（ESR）了。有的电容器上有一条金色的带状线，上面印有一个大大的空心字母“I”，它表示该电容属于LOW ESR低损耗电容。有的电容还会标出ESR值（等效串联电阻），ESR越低，损耗越小，输出电流就越大，电容器的品质越高。

　　ESR是Equivalent Series Resistance的缩写，即“等效串联电阻”。理想的电容自身不会有任何能量损失，但实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串联在一起，所以就称为“等效串联电阻”。和ESR类似的另外一个概念是ESL，也就是等效串联电感。早期的卷制电感经常有很高的ESL，容量越大的电容，ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分，并且ESL会引起串联谐振等现象。但是相对电容量来说，ESL的比例很小，出现问题的几率很小，后来由于电容制作工艺的提高，现在已经逐渐忽略ESL，而把ESR作为除容量、耐压值、耐温值之外选用电容器的主要参考因素了。

　　串联等效电阻ESR的单位是毫欧（mΩ）。通常钽电容的ESR通常都在100毫欧以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的 ESR甚至会高达数欧姆。ESR的高低，与电容器的容量、电压、频率及温度都有关系，当额定电压固定时，容量愈大 ESR愈低。同样当容量固定时，选用高的额定电压的品种也能降低 ESR；故选用耐压高的电容确实有许多好处；低频时ESR高，高频时ESR低；高温也会造成ESR的升高。

　　现在电子技术正朝着低电压高电流电路的设计方向发展，供应给元器件的电压呈现越来越低的趋势，但对功率的要求却丝毫没有降低。按P=UI的公式来计算，要获得同样的功率，电压降低了，那就必须得增大电流。例如INTEL、AMD的最新款CPU，电压均小于2V，和以前3、 4V的电压相比低得多。但另一方面这些芯片由于晶体管和频率的激增，需求的功耗却是增大了许多，对电流的要求就越来越高了。例如两颗功率都是70W的CPU，前者电压是3.3V，后者电压是1.8V。那么，前者的电流I=P/U=70W/3.3V=21.2A；而后者的电流I=P/U=70W/1.8V=38.9A，将近是前者电流的两倍。在通过电容的电流越来越高的情况下，假如电容的ESR值不能保持在一个较小的范围，那么就会产生更高的纹波电压（理想的输出直流电压应该是一条水平线，而纹波电压则是水平线上的波峰和波谷），因此就促使工程师在设计时，要使用最小的ESR电容器。

　　ESR值与纹波电压的关系可以用公式V=R（ESR）×I表示。这个公式中的V就表示纹波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高，因此采用更低ESR值的电容是势在必行的。

　　此外，即使是相同的纹波电压，对低电压电路的影响也要比在高电压情况下更大。例如对于3.3V的CPU而言，0.2V纹波电压所占比例较小，不足以形成很大的影响，但是对于1.8V的CPU，同样是0.2V的纹波电压，其所占的比例就足以造成数字电路的判断失误。

　　例如《电子报》2007年第26期17版的《由NCP1200构成的12V、1A开关电源》的文章中，对开关变压器次级二极管整流后的LCπ型滤波器中电容C6、C7的要求就是“要选用等效串联电阻小的优质电解电容，等效电阻不仅会影响转换率还会影响输出纹波电压。”

　　ESR是等效“串联”电阻，将两个电容串联，会使ESR值增大，而并联则会使之减小。因此在需要更低ESR的场合，而低ESR的大容量电容价格又相对昂贵的情况下，用多个ESR相对高的铝电解电容并联，形成一个低ESR的大容量电容也是一种常用的办法。很多开关电源采取的电容并联的策略，以牺牲一定的PCB空间，换来器件成本的减少。

　　不过一定等效串联电阻的存在也有好的方面。比如在稳压电路中，有一定ESR的电容，在负载发生瞬变的时候，会立即产生波动而引发反馈电路动作，这个快速的响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价，获取了后续的快速调整能力，尤其是功率管的响应速度比较慢，而且在电容器的体积、容量受到严格限制的情况。这种情况多见于一些使用MOS管做调整管的三端稳压器或相似的电路中，采用太低的ESR电容器反而会降低整体的性能