电容怎么选更合适？

电容在 SMPS（开关电源） 设计中有多种作用：储能、滤波、补偿、软启动编程等。像所有实际器件一样，电容有寄生效应，设计人员必须注意。就 SMPS 储能和滤波而言，两个最重要的寄生效应是有效串联电阻 (ESR) 和有效串联电感 (ESL)。图 2 所示为简化的实际电容图。

理想电容的阻抗会随着频率提高而单调下降。下图显示了两个不同 100 F 电容的阻抗与频率的关系。一个是铝电解型，另一个是多层陶瓷电容。在较低频率时，阻抗随着频率提高而单调下降，符合预期。然而，由于存在 ESR，在某一频率时，此阻抗会达到最小值。当频率继续提高时，电容开始表现得像一个电感，阻抗也会随之提高。阻抗与频率的关系曲线称为“浴盆”曲线，所有实际电容都有类似行为。

下图展示了降压转换器设计中的电容功能。输入电容会看到较大的非连续纹波电流。此电容需要能承受高纹波电流（低 ESR）并具有低电感 (ESL)，如果输入电容 ESR 过高，电容内将产生 I*R 功耗。这会降低转换器效率，并且有可能使电容过热。输入电流的非连续性质还会与 ESL 相互作用，引起输入上的电压尖峰。这会给系统带来干扰噪声。降压转换器中的输出电容会看到连续的纹波电流，这种电流一般很低。为实现最佳的效率和负载瞬态响应，ESR 应保持低值。

下图展示了升压转换器中的去耦电容功能。输入电容会看到连续的纹波电流。应选择低 ESR 电容，使输入上的电压纹波最小。输出电容会看到较大的非连续纹波电流。这里需要使用低 ESR 和低 ESL 的电容。

在降压/升压转换器中，输入和输出电容均会看到非连续纹波电流。这种拓扑结构需要使用低 ESR 和低 ESL 的电容。

多个电容并联以获得较大的电容也许是明智的。并联情况下电容会增加，而 ESR 和ESL 则会降低。让两个或更多电容并联，便可获得较大的电容和较低的电感与电阻。很多时候，只有利用这种办法才能获得所需的大电容值和低 ESR，从而满足设计要求。

电容有多种类型可供选择。铝电解电容、钽电容和多层陶瓷电容是三种最常见的类型。像大多数设计决策一样，选择合适的类型涉及一系列权衡因素。铝电解电容的容值大、成本低，在所有选择中，其成本/F 比最佳。铝电解电容的主要缺点是 ESR 较高，可达数欧姆。务必使用开关型电容，因为其 ESR 和 ESL 比通用型要低。铝电解电容还依赖于电解质，由于电解质会逐渐变干，因此电容寿命较短。钽电容使用钽粉末作为电介质。与同等铝电容相比，钽电容能以更小的封装提供更大的容值，不过成本较高。ESR 通常在 100 mΩ 范围内，比铝电容低。钽电容不使用液态电解质，因而寿命比铝电解型要长。由于这个原因，钽电容在高可靠性应用中很受欢迎。钽电容对浪涌电流敏感，有时需要串联电阻来限制浪涌电流。务必不要超过制造商建议的浪涌电流额定值和电压额定值。钽电容失效时，可能会烧毁并冒烟。多层陶瓷电容 (MLCC) 提供极低的 ESR (<10 mΩ) 和 ESL (<1 nH)，采用小型表贴封装。

MLCC 的最大容值可达 100 F，不过当容值大于 10 F 时，物理尺寸和成本会增加。请注意 MLCC 的电压额定值及其结构中使用的电介质。实际容值会随着施加的电压而变化，这称为电压系数。依据所选的电介质，这种变化可能非常大。下图显示了三种不同电容的容值与施加电压的关系。X7R 型电介质性能最佳，大力推荐使用。由于电介质的压电效应，陶瓷电容对 PCB 振动敏感，所产生的电压噪声可能会扰乱 PLL 等敏感模拟电路。在此类敏感应用中，不受振动影响的钽电容可能是更好的选择。

审核编辑：汤梓红