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。根據觀(guān)察某一隨機過(guò)程的結果，對另一與之有關(guān)的隨機過(guò)程進(jìn)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(shù)。“接收信號”相當于被觀(guān)測的隨機過(guò)程，“有用信號”相當于被估計的隨機過(guò)程。

 

  濾波主要指濾除外來(lái)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(gè)電路結構：

 

  圖中電源為A和B供電。電流經(jīng)C1后再經(jīng)過(guò)一段PCB走線(xiàn)分開(kāi)兩路分別供給A和B。當A在某一瞬間需要一個(gè)很大的電流時(shí)，如果沒(méi)有C2和C3，那么會(huì )因為線(xiàn)路電感的原因A端的電壓會(huì )變低，而B(niǎo)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(huì )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(gè)瞬間的大電流的時(shí)候，電容C2可以為A暫時(shí)提供電流，即使共路部分電感存在，A端電壓不會(huì )下降太多。對B的影響也會(huì )減小很多。于是通過(guò)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(gè)芯片的話(huà)，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(gè)功能模塊的話(huà)，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(shí)使用電解電容、鉭電容和瓷片電容的話(huà)，把電解電容放的離開(kāi)關(guān)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(mǎn)足兩個(gè)要求，一個(gè)是容量需求，另一個(gè)是ESR需求。也就是說(shuō)一個(gè)0.1uF的電容退耦效果也許不如兩個(gè)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(gè)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(huì )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(gè)瓷片電容，還要有幾個(gè)大電容，總容量要200uF以上…

 

  二、各類(lèi)電源中電容器的正確選用

 

  電容器作為基本元件在電子線(xiàn)路中起著(zhù)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(shí)等。隨著(zhù)電子線(xiàn)路，特別是電力電子電路的發(fā)展對不同應用場(chǎng)合的電容器提出了不同的特殊要求。

 

  電容器的結構上說(shuō)起。最簡(jiǎn)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(gè)電容器是不導電的。不過(guò)，這樣的情況是在沒(méi)有超過(guò)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(chēng)這個(gè)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(guò)在中學(xué)階段，這樣的電壓在電路中是見(jiàn)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(shí)間成一定的函數關(guān)系變化的。而電容器充放電的過(guò)程是有時(shí)間的，這個(gè)時(shí)候，在極板間形成變化的電場(chǎng)，而這個(gè)電場(chǎng)也是隨時(shí)間變化的函數。

 

  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(shí)主要問(wèn)題是溫度與壽命關(guān)系，基本遵循50℃法則。因此在很多要求高溫和高可靠性場(chǎng)合下，應選用長(cháng)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(kāi)關(guān)穩壓電源輸入濾波電容器，因開(kāi)關(guān)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(guò)較大的高頻電流，當電解電容器等效串聯(lián)電阻（ESR）較大時(shí)，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(kāi)關(guān)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(shí)仍不呈現上升趨勢。而普通電解電容器在100kHz后就開(kāi)始呈現上升趨勢，用于開(kāi)關(guān)電源輸出整流濾波效果相對較差。筆者在實(shí)驗中發(fā)現，普通CDII型中4700μF，16V電解電容器，用于開(kāi)關(guān)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(shí)普通電解電容器溫升相對較高。當負載為突變情況時(shí)，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(wú)感薄膜電容器，其主要優(yōu)點(diǎn)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(dòng)態(tài)響應。

 

  在濾波電容器中我們著(zhù)重講解在開(kāi)關(guān)電源中怎樣選用濾波電容

 

  開(kāi)關(guān)電源怎樣選用濾波電容

 

  濾波電容在開(kāi)關(guān)電源中起著(zhù)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(gè)工程技術(shù)人員十分關(guān)心的問(wèn)題。

 

  50赫茲工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動(dòng)電壓頻率僅為100赫茲，充放電時(shí)間是毫秒數量級。為獲得更小的脈動(dòng)系數，所需的電容量高達數十萬(wàn)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。而開(kāi)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數萬(wàn)赫茲，甚至是數十兆赫茲。這時(shí)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(kāi)關(guān)電源的工作頻率內要有較低的等效阻抗，同時(shí)對于半導體器件工作時(shí)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(kāi)關(guān)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(dòng)電壓頻率僅有100赫茲，充放電時(shí)間是毫秒數量級，為獲得較小的脈動(dòng)系數，需要的電容量高達數十萬(wàn)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。

 

  在開(kāi)關(guān)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(shí)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(kāi)關(guān)穩壓電源的工作頻段內要有低的等的阻抗，同時(shí)，對于電源內部，由于半導體器件開(kāi)始工作所產(chǎn)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(kāi)始呈現感性，無(wú)法滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)電源使用要求。

 

 

  普通的低頻電解電容器在萬(wàn)赫茲左右便開(kāi)始呈現感性，無(wú)法滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)電源的使用要求。而開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用的高頻鋁電解電容器有四個(gè)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(gè)正端流入，經(jīng)過(guò)電容內部，再從另一個(gè)正端流向負載；從負載返回的電流也從電容的一個(gè)負端流入，再從另一個(gè)負端流向電源負端。

 

  開(kāi)關(guān)穩壓電源專(zhuān)用的高頻鋁電解電容器，它有四端個(gè)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(gè)正端流入，經(jīng)過(guò)電容內部，再從另一個(gè)正端流向負載；從負載返回的電流也從電容的一個(gè)負端流入，再從另一個(gè)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(dòng)分量以及抑制開(kāi)關(guān)尖峰噪聲提供了極為有利的手段。

 

  開(kāi)關(guān)穩壓電源具有多功能綜合保護：穩壓器除了最基本的穩定電壓功能以外，還應具有過(guò)壓保護（超過(guò)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(guò)載保護最基本的保護功能。尖脈沖抑制（可選）：電網(wǎng)有時(shí)會(huì )出現幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會(huì )擊穿耐壓較低的電子元件。穩壓電源的抗浪涌組件能夠對這樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。