电源设计中电容的工作原理及选用

电源往往是我们在电路设计过程中最容易忽略的环节。作为一款优秀的设计，电源设计应当是很重要的，它很大程度影响了整个系统的性能和成本。电源设计中的电容使用，往往又是电源设计中最容易被忽略的地方。

一、电源设计中电容的工作原理

在电源设计应用中，电容主要用于滤波(fiLTEr)和退耦/旁路(decoupling/bypass)。滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。根据观察某一随机过程的结果，对另一与之有关的随机过程进行估计的概率理论与方法。滤波一词起源于通信理论，它是从含有干扰的接收信号中提取有用信号的一种技术。“接收信号”相当于被观测的随机过程，“有用信号”相当于被估计的随机过程。

滤波主要指滤除外来噪声，而退耦/旁路(一种，以旁路的形式达到退耦效果，以后用“退耦”代替)是减小局部电路对外的噪声干扰。很多人容易把两者搞混。下面我们看一个电路结构：

图中电源为A和B供电。电流经C1后再经过一段PCB走线分开两路分别供给A和B。当A在某一瞬间需要一个很大的电流时，如果没有C2和C3，那么会因为线路电感的原因A端的电压会变低，而B端电压同样受A端电压影响而降低，于是局部电路A的电流变化引起了局部电路B的电源电压，从而对B电路的信号产生影响。同样，B的电流变化也会对A形成干扰。这就是“共路耦合干扰”。

增加了C2后，局部电路再需要一个瞬间的大电流的时候，电容C2可以为A暂时提供电流，即使共路部分电感存在，A端电压不会下降太多。对B的影响也会减小很多。于是通过电流旁路起到了退耦的作用。

一般滤波主要使用大容量电容，对速度要求不是很快，但对电容值要求较大。如果图中的局部电路A是指一个芯片的话，而且电容尽可能靠近芯片的电源引脚。而如果“局部电路A”是指一个功能模块的话，可以使用瓷片电容，如果容量不够也可以使用钽电容或铝电解电容(前提是功能模块中各芯片都有了退耦电容—瓷片电容)。

滤波电容的容量往往都可以从电源芯片的数据手册里找到计算公式。如果滤波电路同时使用电解电容、钽电容和瓷片电容的话，把电解电容放的离开关电源最近，这样能保护钽电容。瓷片电容放在钽电容后面。这样可以获得最好的滤波效果。

退耦电容需要满足两个要求，一个是容量需求，另一个是ESR需求。也就是说一个0.1uF的电容退耦效果也许不如两个0.01uF电容效果好。而且，0.01uF电容在较高频段有更低的阻抗，在这些频段内如果一个0.01uF电容能达到容量需求，那么它将比0.1uF电容拥有更好的退耦效果。

很多管脚较多的高速芯片设计指导手册会给出电源设计对退耦电容的要求，比如一款500多脚的BGA封装要求3.3V电源至少有30个瓷片电容，还要有几个大电容，总容量要200uF以上…

二、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！

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.
至于到底用多大的电容，这是一个参考电容谐振频率

电容值 DIP (MHz) STM (MHz)
1.0μF 2.5 5

0.1μF 8 16

0.01μF 25 50

1000pF 80 160

100 pF 250 500

10 pF 800 1.6(GHz)

三、滤波电容的选用原则

在电源设计中，滤波电容的选取原则是： C≥2.5T/R
其中： C为滤波电容，单位为UF;
T为频率，单位为Hz
R为负载电阻，单位为Ω
当然，这只是一般的选用原则，在实际的应用中，如条件(空间和成本)允许，都选取C≥5T/R。
从网上看有两种工程常用的计算方法：(参考，感觉有些道理)
一，当要求不是很精确的话，可以根据负载计算，每mA，2uf.
二，按RC时间常数近似等于3~5倍电源半周期估算。给出一例：

负载情况：直流1A，12V。其等效负载电阻12欧姆。
桥式整流：
RC = 3 (T/2)
C = 3 (T/2) / R = 3 x (0.02 / 2 ) / 12 = 2500 (μF)
工程中可取2200 μF，因为没有2500 μF这一规格。若希望纹波小些，按5倍取。这里，T是电源的周期，50HZ时，T = 0.02 秒。

全波整流结果一样，但半波整流时，时间常数加倍。

根据全波整流波形，可以看出，输出电压的平滑与电容充放电时间和信号的频率有关系，当信号的频率增大时，输出电压的波动就分变大，可以改变滤波电容的大小来改变充放电时间，使波动减小.这也反应了上述滤波电容的计算关系.理论上滤波电容越大滤波效果越好，输出电压就越平滑，但在电路接通的瞬间，电路中所产生的冲击电流因素却不能被忽略，这是因为，几乎所有的电子元器件都有其可以通过的最大电流值，所以，在选择电子元器件时，必须考虑冲击电流所带来的流过相关元器件瞬间电流的最大值，冲击电流越大，对电子元器件的要求就越高，电路的成本就会提高。

四、具体案例：

AC220-9V再经过全桥整流后，需加的滤波电容是多大的？再经78LM05后需加的电容又是多大？
前者电容耐压应大于15V，电容容量应大于2000微发以上。后者电容耐压应大于9V，容量应大于220微发以上。

2.有一电容滤波的单相桥式整流电路，输出电压为24V，电流为500mA，要求：
（1）选择整流二极管；
（2）选择滤波电容；
（3）另：电容滤波是降压还是增压？

（1）因为桥式是全波，所以每个二极管电流只要达到负载电流的一半就行了，所以二极管最大电流要大于250mA；电容滤波式桥式整流的输出电压等于输入交流电压有效值的1.2倍，所以你的电路输入的交流电压有效值应是20V，而二极管承受的最大反压是这个电压的根号2倍，所以，二极管耐压应大于28.2V。
（2）选取滤波电容：1、电压大于28.2V；2、求C的大小：公式RC≥（3--5）×0.1秒，本题中R=24V/0.5A=48欧
所以可得出C≥（0.00625--0.0104）F，即C的值应大于6250μF。
（3）电容滤波是升高电压。

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