一白华、簡介

濾波電容是指安裝在整流電路兩端用以降低交流脈動波紋系數(shù)提升高效平滑直流輸出的一種儲能器件媳板。由于濾波電路要求儲能電容有較大電容量，最常用的為數(shù)百至數(shù)千微法的電解電容捌朴。所以，絕大多數(shù)濾波電路使用電解電容张抄。電解電容由于其使用電解質(zhì)作為電極（負極）而得名砂蔽。

電解電容的一端為正極，另一端為負極署惯，不能接反左驾。正極端連接在整流輸出電路的正端，負極連接在電路的負端。在所有需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路中诡右，設置濾波電容會使電子電路的工作性能更加穩(wěn)定安岂，同時也降低了交變脈動波紋對電子電路的干擾。濾波電容在電路中的符號一般用“C"表示稻爬，電容量應根據(jù)負載電阻和輸出電流大小來確定嗜闻。為了獲得良好的濾波效果，電容放電必須慢桅锄，電容放電越慢琉雳，輸出電壓就越平滑、濾波效果就越好友瘤。而電容放電的快慢跟電容的容量C和負載R有關翠肘，C和R越大,電容放電就越慢。

二辫秧、電感濾波與電容濾波

電感的阻抗與頻率成正比束倍，電容的阻抗與頻率成反比。所以盟戏，電感可以阻扼高頻通過绪妹，電容可以阻扼低頻通過。電容和電感的很多特性是恰恰相反的柿究。二者適當組合邮旷，就可過濾各種頻率信號。如在整流電路中蝇摸，將電容并在負載上或?qū)㈦姼写?lián)在負載上婶肩，可濾去交流紋波。

• 電容濾波：
  屬電壓濾波貌夕，是直接儲存脈動電壓來平滑輸出電壓律歼，輸出電壓高，接近交流電壓峰值啡专；適用于小電流险毁，電流越小濾波效果越好。

• 電感濾波：
  屬電流濾波们童，是靠通過電流產(chǎn)生電磁感應來平滑輸出電流辱揭，輸出電壓低，低于交流電壓有效值病附；適用于大電流问窃，電流越大濾波效果越好。

三完沪、低頻濾波和高頻濾波電容

一般情況下域庇，電解電容的作用是過濾掉電流中的低頻信號嵌戈，但即使是低頻信號，其頻率也分為了好幾個數(shù)量級听皿。因此為了適合在不同頻率下使用熟呛，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尉姨，其工作頻率與市電一致為50Hz庵朝。50赫茲工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動電壓頻率僅為100赫茲又厉，充放電時間是毫秒數(shù)量級九府。
  為獲得更小的脈動系數(shù)，所需的電容量高達數(shù)十萬微法覆致，因此普通低頻鋁電解電容器的目標是以提高電容量為主侄旬，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)煌妈。

• 高頻濾波電容：
  主要工作在開關電源整流后的濾波儡羔，其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。其鋸齒波電壓頻率高達數(shù)萬赫茲璧诵，甚至是數(shù)十兆赫茲汰蜘。
  這時電容量并不是其主要指標，衡量高頻鋁電解電容優(yōu)劣的標準是“阻抗-頻率”特性之宿。要求在開關電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗族操，同時對于半導體器件工作時產(chǎn)生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。

四澈缺、電源濾波電容大小對電壓的影響

4.1 電容濾波電路原理

當輸入脈動電壓U高于濾波電容兩端電壓時就對電容充電，而當輸入脈動電壓U低于濾波電容兩端電壓時炕婶，濾波電容開始放電承擔對負載提供電量的責任姐赡，補償了輸入脈動電壓U的下降趨勢，從而達到降低脈動電壓的脈動程度（紋波系數(shù)）柠掂。

濾波電容越大项滑，則濾波后的輸出電壓紋波越小。

4.2 濾波電容的容量越大就越好嗎涯贞？

毫無疑問枪狂，容量越大則成本越高，但更重要的是宋渔，濾波容量大到一定程度州疾，電容容量所帶來的好處會越少。

1. 如橋式整流濾波皇拣，濾波電容的容量從10uF到100uF严蓖，紋波電壓改善是64V-22V=42V薄嫡，從100uF到1000uF的紋波改善值為22V-4.24V=19.6V，而從1000uF到4700uF的紋波改善值就只有4.24-1.35=2.89V了颗胡，如下圖所示：
   

   
   很明顯可以看到毫深，濾波電容的容量越大，相應的紋波電壓是下降了毒姨，但是濾波電容越大哑蔫，則能夠獲得的好處就更少了，從經(jīng)濟學的角度看弧呐，就是邊際效益越姓⒚浴（性價比低），不值得這么做泉懦；

2. 濾波容量過大的必要性稿黍。如果一件事情沒有執(zhí)行的必要，那我們就沒有必要去執(zhí)行崩哩，這看來是句廢話巡球，然而這也是電路設計中遵循的適用性法則（夠用就好）。濾波電容存在的目的：降低交流脈動電壓（紋波系數(shù)）邓嘹，而不是用來輸出穩(wěn)定的電壓酣栈；

3. 濾波電容過大的可行性。濾波電容的容量過大汹押，則充電電流（紋波電流）也會越大矿筝，過大的紋波電流對電路系統(tǒng)是一個致命的傷害。紋波電流（Ripple current）棚贾，它的定義是：在最高工作溫度條件下窖维，電容器最大所能承受的交流紋波電流的RMS值（有效值），并且指定的紋波為頻率范圍（100Hz～120Hz）的正弦波妙痹。

   紋波電流在電壓上的表現(xiàn)就是脈動電壓（紋波）铸史，電容器所能承受的最大允許紋波電流受溫度、損耗角度及交流頻率等參數(shù)的限制怯伊，在數(shù)據(jù)手冊中通常用 IR來表示琳轿，如下圖所示的紋波電流（下圖來自VISHAY鋁電解電容038 RSU數(shù)據(jù)手冊） ：

五、電源濾波電容的計算

電容的類似于水缸耿芹，一端在進水崭篡，一端在取水。電容充電是有一定的速度的吧秕，如果此時有一個人來取水（一個負載）琉闪，那么進水和出水相互平衡，如果此時有一群人（多個負載）來取水砸彬，那么電容的電荷會供不過來塘偎。此時電容兩端的電壓就會出現(xiàn)波動（一會高一會低）疗涉。如果電容的容量越大，那么這種波動就會越小吟秩，供給負載的電壓就會越穩(wěn)定（不會隨著負載的變多而抖動）咱扣。所以，儲能濾波電容一般越大越好涵防，但越大的電容越貴闹伪，所以電容的選擇很有講究。

5.1 影響紋波的因素

我們希望使用電容后壮池，能使負載接收到一個比較穩(wěn)定的電壓偏瓤，也就是紋波比較小，紋波就是電壓的變化范圍椰憋，這主要受兩個因素的影響:

• 充電電壓的頻率或周期厅克。充電電壓的頻率表示的是對水缸取水的頻率，是隔10秒取一次水還是隔5秒取一次水橙依，即充電電壓的頻率证舟。充電頻率越快，表示對電容的充電效果越好窗骑，相同條件下紋波也會越小女责。
• 電容容值的大小。如果電容容值很小创译，那么可能還沒有等到下一次充電時間時抵知，電容里面的電壓（電荷量）就沒有了，這樣就會造成負載接收到的電壓非常不穩(wěn)定软族。

5.2 電容的計算公式

電容的選取還與放電電流的大小有關刷喜。

• ：指的是電容的放電電流的大小，即電容后面電路的電流的大小立砸。
• ：指的是從電容流出的電壓的波動的大小掖疮，即紋波的最大電壓和最小電壓的差值。要先自己指定好紋波多大仰禽。
• ：指的是給電容充電的頻率的大小氮墨。

注意：使用市電220V纺蛆，在半波整流電路中吐葵，給電容充電的頻率一般是50Hz；在全波整流電路中桥氏，一般是100Hz温峭。 為什么這樣呢？因為半波整流電路只會在正半周期給電容充電字支，而全波整流電路在正半周期和負半周期都會給電容充電凤藏。相當于一個周期充兩次電奸忽。

5.3 電容容值計算案例

要求電壓波動不超過0.9V，f=54KHz揖庄，Iout=100mA栗菜，計算電容是多少？

注：乘以10的6次方是將法拉單位轉(zhuǎn)換為微法蹄梢。

六疙筹、電源濾波電容的選取

采用電容濾波設計需要考慮參數(shù)：

• ESR
  電源濾波，開關電源禁炒，要看你的ESR（電容的等效串聯(lián)電阻）有多大而咆。

• ESL

• 耐壓值
  電容的耐壓值一般高于電容兩端的最大電壓的1.2--1.5倍，當然更高更好幕袱，但是實際中要考慮到電容的體積和價格暴备，做均衡。

• 諧振頻率
  高頻電容的選擇最好在其自諧振頻率上们豌。大電容是防止浪涌涯捻，機理就好比大水庫防洪能力更強一樣；小電容濾高頻干擾玛痊，電容越小汰瘫，諧振頻率越高，可濾除的干擾頻率越高擂煞。任何器件都可以等效成一個電阻混弥、電感、電容的串并聯(lián)電路对省，也就有了自諧振蝗拿，只有在這個自諧振頻率上，等效電阻最小蒿涎，所以濾波最好哀托！

• 電容的大小
  平時做設計，前級用4.7uF劳秋，用于濾低頻仓手，二級用0.1uF（104電容），用于濾高頻玻淑。
  4.7uF的電容作用是減小輸出脈動和低頻干擾嗽冒，
  0.1uF的電容應該是減小由于負載電流瞬時變化引起的高頻干擾。
  一般低頻濾波電容越大越好补履，兩個電容值相差大概100倍左右添坊。

? 由 Leung 寫于 2021 年 10 月 14 日

? 參考：【硬件電路設計】濾波電容
　　　　【轉(zhuǎn)】詳細解析電源濾波電容的選取與計算
　　　　【專題5: 硬件設計】 之 【2.電容】