上期回顧：電容選型與應用知識系列大講臺—超級電容選型應用篇
中心議題：
- 電源設計中電容的工作原理
- 各類電源中電容器的正確選用
- 電容降壓式電源設計實例
電源往往是我們在電路設計過程中最容易忽略的環節。作為一款優秀的設計，電源設計應當是很重要的，它很大程度影響了整個系統的性能和成本。 電源設計中的電容使用，往往又是電源設計中最容易被忽略的地方。
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構：
圖中電源為A和B供電。電流經C1后再經過一段PCB走線（暫等效為一個電感，實際用電磁波理論分析這種等效是有誤的，但為方便理解，仍采用這種等效方式。）分開兩路分別供給A和B。電源出來的紋波比較大，于是我們使用C1對電源進行濾波，為A和B提供穩定的電壓。C1需要盡可能的靠近電源放置。C2和C3均為旁路電容，起退耦作用。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。一般使用鋁電解電容。浪涌電流較小的情況下，使用鉭電容代替鋁電解電容效果會更好一些。從上面的例子我們可以知道，作為退耦的電容，必需有很快的響應速度才能達到效果。如果圖中的局部電路A是指一個芯片的話，那么退耦電容要用瓷片電容，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據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，總容量要200uF以上…
延伸閱讀：電容器與開關電源
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展對不同應用場合的電容器提出了不同的特殊要求。
1．濾波電容器
交流電（工頻或高頻）經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，如廉價型環境溫度多為85℃，可在1000h 內保證各性能參數，特別是電容量，超過1000h，各項性能指標將得不到保證，盡管在很多情況下還能用。如降低使用溫度可以延長壽命，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電阻（ESR）較大時，將產生較大損耗，導致電解電容器發熱。而低ESR 電解電容器則可明顯減小紋波（特別是高頻紋波）電流產生的發熱。
用于開關穩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時仍不呈現上升趨勢。電解電容器ESR 較低，能有效地濾除開關穩壓電源中的高頻紋波和尖峰電壓。而普通電解電容器在100kHz 后就開始呈現上升趨勢，用于開關電源輸出整流濾波效果相對較差。筆者在實驗中發現，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響應。
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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
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，在工頻電路中用作濾波的普通電解電容器，其上的脈動電壓頻率僅有100 赫茲，充放電時間是毫秒數量級，為獲得較小的脈動系數，需要的電容量高達數十萬微法，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劣的主要參數。
在開關穩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十千赫，甚至數十兆赫，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，要求它在開關穩壓電源的工作頻段內要有低的等的阻抗，同時，對于電源內部，由于半導體器件開始工作所產生高達數百千赫的尖峰噪聲，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，其阻抗便開始呈現感性，無法滿足開關電源使用要求。
開關穩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。穩壓電源的電流從四端電容的一個正端流入，經過電容內部，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。
高頻鋁電解電容器還有多芯的形式，它將鋁箔分成較短的若干小段，用多引出片并聯連接以減小容抗中的電阻成份，同時，采用低電阻率的材料并用螺桿作為引出端子，以增強電容器承受大電流的能力。
疊片電容也稱為無感電容，一般電解電容器的芯子都卷成圓柱形，等效串聯電感較大；疊片電容的結構和書本相仿，因流過電流產生的磁通方向相反而被抵消，因而降低了電感的數值，具有更為優良的高頻特性，這種電容一般做成方形，便于固定，還可以適當減小占機體積。
此外，還有一種將四端和疊片相結合的四端疊片式高頻電解電容器，它綜合了兩者的優點，高頻特性更佳。
延伸閱讀：電容器與開關電源講義PDF下載
2．吸收與換相電容器
隨著柵控半導體器件的額定功率越做越大，開關速度越來越快，額定電壓越來越高，對緩沖電路的電容器僅僅要求足夠的耐壓、容量及優異的高頻特性是不夠的。
在大功率電力電子電路中，由于IGBT 的開關速度已小于1μs，要求吸收電路電容器上的電壓變化速率dv/dt> V/μs 已是很正常的，有的要求 V/μs 甚至 V/μs。
對于普通電容器，特別是普通金屬化電容器的dv/dt<100V/μs，特殊金屬化電容器的dv/dt≤200V/μs，專用雙金屬化電容器小容量（小于10nF）的dv/dt≤1500V/μs，較大容量（小于0.1μF)的則為600V/μs，在這種巨大且重復率很高的峰值電流沖擊下是很難承受的。所以經常可以看到電力電子電路因吸收電容應用不當造成電容器擊穿或斷路，損壞電力電子電路的現象。
目前吸收電路專用電容器，即金屬箔電極可承受較大的峰值電流和有效值電流沖擊，如：較小容量(10nF 以下)的可承受100000V/μs～455000V/μs 的電壓變化率、3700A 峰值電流和達9A 有效值電流(如CDV30FH822J03)；較大容量(大于10nF，小于0.47μF)或較大尺寸的可承受大于3400V/μs 以及1000A 峰值電流的沖擊。
由此可見，盡管同是無感電容、金屬化和金屬箔電容，應用在吸收電路中將有不同的表現，外形相近但規格不同在這里是絕對不能互換的。電容器的尺寸將影響電容器的dv/dt 及峰值電流的耐量，一般而言，長度越大dv/dt 和峰值電流則相對較小。
吸收電路中電容器的工作特點是高峰值電流占空比小，有效值電流不十分高，與這種電路相似的還有晶閘管逆變器的換相電容器，盡管這種電容器要求的dv/dt 較吸收電容器小，但峰值電流與有效值電流均較大，采用普通電容器在電流方面不能滿足要求。
在某些特殊應用中要求儲能電容器反復急促放電，而且放電回路電阻極低、寄生電感很小，在這種場合下只能將吸收電容并聯使用以保證長期使用的可靠性。
3．諧振電容器
諧振式變換器，如諧振式開關穩壓電源及晶閘管中頻電源諧振回路中的諧振電容器，工作時往往流過很大電流。如并聯諧振式晶閘管中頻電源，流過諧振電容器的諧振電流為流過晶閘管電流的10 倍甚至更高，因此必須選擇專用電容器，方能滿足要求。又如電子鎮流器的諧振電容規格選擇不當時，會出現電容上電壓雖沒達到擊穿電壓但由于流過較大的諧振電流而損壞的現象。
綜上所述,在現代電源技術中，不同應用場合需要不同性能的電容器，不能混用、濫用、錯用，以盡可能消除不應出現的損壞，并保證產品性能。
延伸閱讀：現代電源技術中電容器的正確選用
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三、電容降壓式電源設計實例
將交流市電轉為低壓直流的常規方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，當受體積和成本等因素限制時，最簡單實用的方法就是采用電容降壓式電源。但電容降壓式電源是一種非隔離電源，在應用上要特別注意隔離，防止觸電。
1.電容降壓式電源電路原理
電容降壓式簡易電源的基本電路如圖1，C1為降壓電容器，D2為半波整流二極管，D1在市電的負半周時給C1提供放電回路，D3是穩壓二極管，R1為關斷 電源后C1的電荷泄放電阻。在實際應用時常常采用的是圖2的所示的電路。當需要向負載提供較大的電流時，可采用圖3所示的橋式整流電路。整流后未經穩壓的 直流電壓一般會高于30伏，并且會隨負載電流的變化發生很大的波動，這是因為此類電源內阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應用場合。
2.阻容降壓電路的器件選擇原則
（1）電路設計時，應先測定負載電流的準確值，然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。因為通過降壓電容C1向負載提供的電流Io，實際上是流過C1的充放電 電流Ic。C1容量越大，容抗Xc越小，則流經C1的充、放電電流越大。當負載電流Io小于C1的充放電電流時，多余的電流就會流過穩壓管，若穩壓管的最 大允許電流Idmax小于Ic-Io時易造成穩壓管燒毀。
（2）為保證C1可靠工作，其耐壓選擇應大于兩倍的電源電壓。
（3）泄放電阻R1的選擇必須保證在要求的時間內泄放掉C1上的電荷。
3.設計舉例
圖2中，已知C1為0.33μF，交流輸入為220V/50Hz，求電路能供給負載的最大電流。
C1在電路中的容抗Xc為：Xc=1 /（2 πf C）= 1/（2*3.14*50*0.33*10-6）= 9.65K
流過電容器C1的充電電流（Ic）為：Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。
通常降壓電容C1的容量C與負載電流Io的關系可近似認為：C=14.5 I，其中C的容量單位是μF，Io的單位是A。
延伸閱讀：一種基于電容的電磁全隔離直流電源傳輸電路
第五講預告：
最后一講我們以Q/A的形式，一起探討工程師在設計中使用電容的常見問題及技巧，幫助工程師了解電容特性，在電路設計中正確選擇和運用電容，更好的發揮電容儲能和濾波的技術特性，提高設計水平和產品可靠性....
