詳細(xì)解析電源濾波電容的選取與計算

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)人員都十分關(guān)心的問題。

50Hz工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動電壓頻率僅為100Hz，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μF，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)十kHz，甚至是數(shù)十MHz，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10kHz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。

由于四端電容具有良好的高頻特性，為減小電壓的脈動分量以及抑制開關(guān)尖峰噪聲提供了極為有利的手段。高頻鋁電解電容器還有多芯的形式，即將鋁箔分成較短的若干段，用多引出片并聯(lián)連接以減小容抗中的阻抗成份。并且采用低電阻率的材料作為引出端子，提高了電容器承受大電流的能力。
 

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(jī)理就好比大水庫防洪能力更強(qiáng)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(shí)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FSR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FSR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(shí)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22pf0402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(shí)際電路試驗(yàn),如調(diào)試手機(jī)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(shí)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)

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)

不過僅僅是參考而已,老工程師說主要靠經(jīng)驗(yàn).

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.

總結(jié)

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.