一、電源設計中電容的工作原理

 

  在電源設計應用中，電容主要用于濾波（filter）和退耦/旁路（decoupling/bypass）。濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。根據(jù)觀察某一隨機過程的結(jié)果，對另一與之有關的隨機過程進行估計的概率理論與方法。濾波一詞起源于通信理論，它是從含有干擾的接收信號中提取有用信號的一種技術。“接收信號”相當于被觀測的隨機過程，“有用信號”相當于被估計的隨機過程。

 

  濾波主要指濾除外來噪聲，而退耦/旁路（一種，以旁路的形式達到退耦效果，以后用“退耦”代替）是減小局部電路對外的噪聲干擾。很多人容易把兩者搞混。下面我們看一個電路結(jié)構(gòu)：

 

  圖中電源為A和B供電。電流經(jīng)C1后再經(jīng)過一段PCB走線分開兩路分別供給A和B。當A在某一瞬間需要一個很大的電流時，如果沒有C2和C3，那么會因為線路電感的原因A端的電壓會變低，而B端電壓同樣受A端電壓影響而降低，于是局部電路A的電流變化引起了局部電路B的電源電壓，從而對B電路的信號產(chǎn)生影響。同樣，B的電流變化也會對A形成干擾。這就是“共路耦合干擾”。

 

  增加了C2后，局部電路再需要一個瞬間的大電流的時候，電容C2可以為A暫時提供電流，即使共路部分電感存在，A端電壓不會下降太多。對B的影響也會減小很多。于是通過電流旁路起到了退耦的作用。

 

  一般濾波主要使用大容量電容，對速度要求不是很快，但對電容值要求較大。如果圖中的局部電路A是指一個芯片的話，而且電容盡可能靠近芯片的電源引腳。而如果“局部電路A”是指一個功能模塊的話，可以使用瓷片電容，如果容量不夠也可以使用鉭電容或鋁電解電容（前提是功能模塊中各芯片都有了退耦電容—瓷片電容）。

 

  濾波電容的容量往往都可以從電源芯片的數(shù)據(jù)手冊里找到計算公式。如果濾波電路同時使用電解電容、鉭電容和瓷片電容的話，把電解電容放的離開關電源最近，這樣能保護鉭電容。瓷片電容放在鉭電容后面。這樣可以獲得最好的濾波效果。

 

  退耦電容需要滿足兩個要求，一個是容量需求，另一個是ESR需求。也就是說一個0.1uF的電容退耦效果也許不如兩個0.01uF電容效果好。而且，0.01uF電容在較高頻段有更低的阻抗，在這些頻段內(nèi)如果一個0.01uF電容能達到容量需求，那么它將比0.1uF電容擁有更好的退耦效果。

 

  很多管腳較多的高速芯片設計指導手冊會給出電源設計對退耦電容的要求，比如一款500多腳的BGA封裝要求3.3V電源至少有30個瓷片電容，還要有幾個大電容，總?cè)萘恳?00uF以上…

 

  二、各類電源中電容器的正確選用

 

  電容器作為基本元件在電子線路中起著重要作用，在傳統(tǒng)的應用中，電容器主要用作旁路耦合、電源濾波、隔直以及小信號中的振蕩、延時等。隨著電子線路，特別是電力電子電路的發(fā)展對不同應用場合的電容器提出了不同的特殊要求。

 

  電容器的結(jié)構(gòu)上說起。最簡單的電容器是由兩端的極板和中間的絕緣電介質(zhì)（包括空氣）［1］構(gòu)成的。通電后，極板帶電，形成電壓（電勢差），但是由于中間的絕緣物質(zhì)，所以整個電容器是不導電的。不過，這樣的情況是在沒有超過電容器的臨界電壓（擊穿電壓）的前提條件下的。我們知道，任何物質(zhì)都是相對絕緣的，當物質(zhì)兩端的電壓加大到一定程度后，物質(zhì)是都可以導電的，我們稱這個電壓叫擊穿電壓。

 

  電容也不例外，電容被擊穿后，就不是絕緣體了。不過在中學階段，這樣的電壓在電路中是見不到的，所以都是在擊穿電壓以下工作的，可以被當做絕緣體看。但是，在交流電路中，因為電流的方向是隨時間成一定的函數(shù)關系變化的。而電容器充放電的過程是有時間的，這個時候，在極板間形成變化的電場，而這個電場也是隨時間變化的函數(shù)。

 

  1.濾波電容器

 

  交流電（工頻或高頻）經(jīng)整流后需用電容器濾波使輸出電壓平滑，要求電容器容量大，一般多采用鋁電解電容器。鋁電解電容器應用時主要問題是溫度與壽命關系，基本遵循50℃法則。因此在很多要求高溫和高可靠性場合下，應選用長壽命（如5000h以上，甚至105℃，5000h）電解電容器。一般體積小的電解電容器，其壽命相對較短。

  用于DC/DC開關穩(wěn)壓電源輸入濾波電容器，因開關變換器是以脈沖形式向電源汲取電能，故濾波電容器中流過較大的高頻電流，當電解電容器等效串聯(lián)電阻（ESR）較大時，將產(chǎn)生較大損耗，導致電解電容器發(fā)熱。而低ESR電解電容器則可明顯減小紋波（特別是高頻紋波）電流產(chǎn)生的發(fā)熱。

 

  用于開關穩(wěn)壓電源輸出整流的電解電容器，要求其阻抗頻率特性在300kHz甚至500kHz時仍不呈現(xiàn)上升趨勢。而普通電解電容器在100kHz后就開始呈現(xiàn)上升趨勢，用于開關電源輸出整流濾波效果相對較差。筆者在實驗中發(fā)現(xiàn)，普通CDII型中4700μF，16V電解電容器，用于開關電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF型4700μF，16V高頻電解電容器的低，同時普通電解電容器溫升相對較高。當負載為突變情況時，用普通電解電容器的瞬態(tài)響應遠不如高頻電解電容器。

 

  由于鋁電解電容器在高頻段不能很好地發(fā)揮作用，應輔之以高頻特性好的陶瓷或無感薄膜電容器，其主要優(yōu)點是：高頻特性好，ESR低，如MMK5型容量1μF電容器，諧振頻率達2MHz以上，等效阻抗小于0.02Ω，遠低于電解電容器，而且容量越小諧振頻率越高（可達50MHz以上），這樣將得到很好的電源的輸出頻率響應或動態(tài)響應。

 

  在濾波電容器中我們著重講解在開關電源中怎樣選用濾波電容

 

  開關電源怎樣選用濾波電容

 

  濾波電容在開關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人員十分關心的問題。

 

  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，充放電時間是毫秒數(shù)量級。為獲得更小的脈動系數(shù)，所需的電容量高達數(shù)十萬微法，因此普通低頻鋁電解電容器的目標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)。而開關電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達數(shù)萬赫茲，甚至是數(shù)十兆赫茲。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。要求在開關電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗，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。

 

  許多電子設計者都知道濾波電容在電源中起的作用，但在開關電源輸出端用的濾波電容上，與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣，其上的脈動電壓頻率僅有100赫茲，充放電時間是毫秒數(shù)量級，為獲得較小的脈動系數(shù)，需要的電容量高達數(shù)十萬微法，因而一般低頻用普通鋁電解電容器制造，目標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)。

 

  在開關穩(wěn)壓電源中作為輸出濾波用的電解電容器，其上鋸齒波電壓的頻率高達數(shù)十千赫，甚至數(shù)十兆赫，它的要求和低頻應用時不同，電容量并不是主要指標，衡量它好壞的則是它的阻抗一頻率特性，要求它在開關穩(wěn)壓電源的工作頻段內(nèi)要有低的等的阻抗，同時，對于電源內(nèi)部，由于半導體器件開始工作所產(chǎn)生高達數(shù)百千赫的尖峰噪聲，亦能有良好的濾波作用，一般低頻用普通電解電容器在10千赫左右，其阻抗便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關電源使用要求。

 

 

  普通的低頻電解電容器在萬赫茲左右便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關電源的使用要求。而開關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，負極鋁片的兩端也分別引出作為負極。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載；從負載返回的電流也從電容的一個負端流入，再從另一個負端流向電源負端。

 

  開關穩(wěn)壓電源專用的高頻鋁電解電容器，它有四端個子，正極鋁片的兩端分別引出作為電容器的正極，負極鋁片的兩端也分別引出作為負極。穩(wěn)壓電源的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載；從負載返回的電流也從電容的一個負端流入，再從另一個負端流向電源負端。因為四端電容具有良好的高頻特性，它為減小輸出電壓的脈動分量以及抑制開關尖峰噪聲提供了極為有利的手段。

 

  開關穩(wěn)壓電源具有多功能綜合保護：穩(wěn)壓器除了最基本的穩(wěn)定電壓功能以外，還應具有過壓保護（超過輸出電壓的+10%）、欠壓保護（低于輸出電壓的-10%）、缺相保護、短路過載保護最基本的保護功能。尖脈沖抑制（可選）：電網(wǎng)有時會出現(xiàn)幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會擊穿耐壓較低的電子元件。穩(wěn)壓電源的抗浪涌組件能夠?qū)@樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。