【硬件电路设计】滤波电容

滤波电容的概念

滤波电容的特点

1、温升低

2、损耗低

3、安全性

4、便捷性

5、低频滤波和高频滤波电容

电源滤波电容大小对电压的影响

电容滤波电路原理

滤波电容的容量越大就越好吗？

电源滤波电容的选取与计算

如何选取电源滤波电容

 

滤波电容的概念

• 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，通常把这种器件称其为滤波电容。
• 滤波电容的电容量应根据负载电阻和输出电流大小来确定。当滤波电容达到一定容量后，加大电容容量反而会对其他一些指标产生有害影响。

电感滤波与电容滤波

• 电感的阻抗与频率成正比，电容的阻抗与频率成反比。所以，电感可以阻扼高频通过，电容可以阻扼低频通过。电容和电感的很多特性是恰恰相反的。
• 电容滤波：

属电压滤波，是直接储存脉动电压来平滑输出电压，输出电压高，接近交流电压峰值；适用于小电流，电流越小滤波效果越好。

• 电感滤波：

属电流滤波，是靠通过电流产生电磁感应来平滑输出电流，输出电压低，低于交流电压有效值；适用于大电流，电流越大滤波效果越好。

滤波电容的特点

1、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。

2、损耗低

• 介质损耗角正切值（tgδ）：≤0.0003

3、安全性

4、便捷性

• 体积小且重量轻，搬运安装极为方便

5、低频滤波和高频滤波电容

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。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。

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。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。

电源滤波电容大小对电压的影响

电容滤波电路原理

• 当输入脉动电压Ui高于滤波电容两端电压时就对电容充电，而当输入脉动电压Ui低于滤波电容两端电压时，滤波电容开始放电承担对负载提供电量的责任，补偿了输入脉动电压ui的下降趋势，从而达到降低脉动电压的脉动程度（纹波系数）。
• 我们也曾经被教育过：滤波电容越大，则滤波后的输出电压纹波越小。

滤波电容的容量越大就越好吗？

• 首先，毫无疑问，容量越大则成本越高，但更重要的是，滤波容量大到一定程度，电容容量所带来的好处会越少。
• 其一，如前述桥式整流滤波，滤波电容的容量从10uF到100uF，纹波电压改善是64V-22V=42V，从100uF到1000uF的纹波改善值为22V-4.24V=19.6V，而从1000uF到4700uF的纹波改善值就只有4.24-1.35=2.89V了，如下图所示：

很明显可以看到，滤波电容的容量越大，相应的纹波电压是下降了，但是滤波电容越大，则能够获得的好处就更少了，从经济学的角度看，就是边际效益越小（性价比低），不值得这么做；

• 其二，滤波容量过大的必要性。如果一件事情没有执行的必要，那我们就没有必要去执行，这看来是句废话，然而这也是电路设计中遵循的适用性法则（够用就好）。滤波电容存在的目的：降低交流脉动电压（纹波系数），而不是用来输出稳定的电压；

• 其三，滤波电容过大的可行性。滤波电容的容量过大，则充电电流（纹波电流）也会越大，过大的纹波电流对电路系统是一个致命的伤害。纹波电流（Ripple current），它的定义是：在最高工作温度条件下，电容器最大所能承受的交流纹波电流的RMS值（有效值），并且指定的纹波为频率范围（100Hz～120Hz）的正弦波。

纹波电流在电压上的表现就是脉动电压（纹波），电容器所能承受的最大允许纹波电流受温度、损耗角度及交流频率等参数的限制，在数据手册中通常用 IR来表示，如下图所示的纹波电流（下图来自VISHAY铝电解电容038 RSU数据手册） ：

电源滤波电容的选取与计算

• 电源滤波电容的大小，平时做设计，前级用4.7u，用于滤低频，二级用0.1u，用于滤高频，4.7uF的电容作用是减小输出脉动和低频干扰，0.1uF的电容应该是减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰。一般前面那个越大越好，两个电容值相差大概100倍左右。

• 电源滤波，开关电源，要看你的ESR（电容的等效串联电阻）有多大，而高频电容的选择最好在其自谐振频率上。大电容是防止浪涌，机理就好比大水库防洪能力更强一样；小电容滤高频干扰，任何器件都可以等效成一个电阻、电感、电容的串并联电路，也就有了自谐振，只有在这个自谐振频率上，等效电阻最小，所以滤波最好！

• 采用电容滤波设计需要考虑参数：

1. ESR
2. ESL
3. 耐压值
4. 谐振频率

如何选取电源滤波电容

• 理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少（1/jwc），但由于电容两端引脚的电感效应，这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路，自谐振频率即器件的FSR参数，这表示频率大于FSR值时，电容变成了一个电感，如果电容对地滤波，当频率超出FSR后，对干扰的抑制就大打折扣，所以需要一个较小的电容并联对地。原因在于小电容，SFR值大，对高频信号提供了一个对地通路，

所以在电源滤波电路中我们常常这样理解：大电容滤低频，小电容滤高频，根本的原因在于SFR（自谐振频率）值不同，想想为什么？如果从这个角度想，也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要尽可能靠近地了。

• 怎么知道电容的SFR是多少？如何选取不同SFR值的电容值呢？是选取一个电容还是两个电容？

电容的SFR值和电容值有关，和电容的引脚电感有关，所以相同容值的0402，0603，或直插式电容的SFR值也不会相同，当然获取SFR值的途径有两个：1）器件Data sheet，如22pf0402电容的SFR值在2G左右， 2）通过网络分析仪直接量测其自谐振频率？

• 知道了电容的SFR值后，用软件仿真，如RFsim99，选一个或两个电路在于你所供电电路的工作频带是否有足够的噪声抑制比。仿真完后，那就是实际电路试验

• 电容的本质是通交流，隔直流，理论上说电源滤波用电容越大越好。但由于引线和PCB布线原因，实际上电容是电感和电容的并联电路，（还有电容本身的电阻，有时也不可忽略）这就引入了谐振频率的概念：ω=1/（LC）1/2

　　在谐振频率以下电容呈容性，谐振频率以上电容呈感性。因而一般大电容滤低频波，小电容滤高频波。

　　这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。

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1. 电容对地滤波，需要一个较小的电容并联对地，对高频信号提供了一个对地通路。
2. 电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。
3. 理论上说电源滤波用电容越大越好，一般大电容滤低频波，小电容滤高频波。
4. 可靠的做法是将一大一小两个电容并联，一般要求相差两个数量级以上，以获得更大的滤波频段。