上期回顧：電容選型與應用知識係列大講台—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(dian)源(yuan)往(wang)往(wang)是(shi)我(wo)們(men)在(zai)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)最(zui)容(rong)易(yi)忽(hu)略(lve)的(de)環(huan)節(jie)。作(zuo)為(wei)一(yi)款(kuan)優(you)秀(xiu)的(de)設(she)計(ji)
，電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)應(ying)當(dang)是(shi)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)，它(ta)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)影(ying)響(xiang)了(le)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)和(he)成(cheng)本(ben)。 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
，電容主要用於濾波（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，以後用“退耦”代替）是減小局部電路對外的噪聲幹擾。很多人容易把兩者搞混。下麵我們看一個電路結構：

圖中電源為A和B供電。電流經C1後再經過一段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，於是我們使用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
，那麼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，於是局部電路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形成幹擾。這就是“共路耦合幹擾”。

增加了C2後，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。於是通過電流旁路起到了退耦的作用。

yibanlvbozhuyaoshiyongdarongliangdianrong
，duisuduyaoqiubushihenkuai，danduidianrongzhiyaoqiujiaoda。yibanshiyonglvdianjiedianrong。langyongdianliujiaoxiaodeqingkuangxia，shiyongtandianrongdaitilvdianjiedianrongxiaoguohuigenghaoyixie。congshangmiandeliziwomenkeyizhidao

，zuoweituioudedianrong，bixuyouhenkuaidexiangyingsuducainengdadaoxiaoguo。ruguotuzhongdejubudianluA是指一個芯片的話
，那麼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裏找到計算公式。如果濾波電路同時使用電解電容、tandianronghecipiandianrongdehua，badianjiedianrongfangdelikaiguandianyuanzuijin


，zheyangnengbaohutandianrong。cipiandianrongfangzaitandianronghoumian。zheyangkeyihuodezuihaodelvboxiaoguo。

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，那麼它將比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jing整zheng流liu後hou需xu用yong電dian容rong器qi濾lv波bo使shi輸shu出chu電dian壓ya平ping滑hua，要yao求qiu電dian容rong器qi容rong量liang大da
，一yi般ban多duo采cai用yong鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi。鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi應ying用yong時shi主zhu要yao問wen題ti是shi溫wen度du與yu壽shou命ming關guan係xi，如ru廉lian價jia型xing環huan境jing溫wen度du多duo為wei85℃，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。

用於DC/DC 開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)電(dian)源(yuan)輸(shu)入(ru)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)器(qi)，因(yin)開(kai)關(guan)變(bian)換(huan)器(qi)是(shi)以(yi)脈(mai)衝(chong)形(xing)式(shi)向(xiang)電(dian)源(yuan)汲(ji)取(qu)電(dian)能(neng)，故(gu)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)器(qi)中(zhong)流(liu)過(guo)較(jiao)大(da)的(de)高(gao)頻(pin)電(dian)流(liu)，當(dang)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)等(deng)效(xiao)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu)（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。

用於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 後就開始呈現上升趨勢，用於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
，用於開關電源輸出濾波的紋波與尖峰並不比CD03HF 型4700μF,16V 高gao頻pin電dian解jie電dian容rong器qi的de低di，同tong時shi普pu通tong電dian解jie電dian容rong器qi溫wen升sheng相xiang對dui較jiao高gao。當dang負fu載zai為wei突tu變bian情qing況kuang時shi，用yong普pu通tong電dian解jie電dian容rong器qi的de瞬shun態tai響xiang應ying遠yuan不bu如ru高gao頻pin電dian解jie電dian容rong器qi。

由於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
，等效阻抗小於0.02Ω
，遠低於電解電容器，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xu多duo電dian子zi設she計ji者zhe都dou知zhi道dao濾lv波bo電dian容rong在zai電dian源yuan中zhong起qi的de作zuo用yong，但dan在zai開kai關guan電dian源yuan輸shu出chu端duan用yong的de濾lv波bo電dian容rong上shang

，與yu工gong頻pin電dian路lu中zhong選xuan用yong的de濾lv波bo電dian容rong並bing不bu一yi樣yang
，在zai工gong頻pin電dian路lu中zhong用yong作zuo濾lv波bo的de普pu通tong電dian解jie電dian容rong器qi，其qi上shang的de脈mai動dong電dian壓ya頻pin率lv僅jin有you100 hezi，chongfangdianshijianshihaomiaoshuliangji，weihuodejiaoxiaodemaidongxishu
，xuyaodedianronglianggaodashushiwanweifa，yineryibandipinyongputonglvdianjiedianrongqizhizao，mubiaoshiyitigaodianrongliangweizhu
，dianrongqidedianrongliang
、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優劣的主要參數。

在(zai)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)電(dian)源(yuan)中(zhong)作(zuo)為(wei)輸(shu)出(chu)濾(lv)波(bo)用(yong)的(de)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)，其(qi)上(shang)鋸(ju)齒(chi)波(bo)電(dian)壓(ya)的(de)頻(pin)率(lv)高(gao)達(da)數(shu)十(shi)千(qian)赫(he)，甚(shen)至(zhi)數(shu)十(shi)兆(zhao)赫(he)，它(ta)的(de)要(yao)求(qiu)和(he)低(di)頻(pin)應(ying)用(yong)時(shi)不(bu)同(tong)
，電(dian)容(rong)量(liang)並(bing)不(bu)是(shi)主(zhu)要(yao)指(zhi)標(biao)
，衡(heng)量(liang)它(ta)好(hao)壞(huai)的(de)則(ze)是(shi)它(ta)的(de)阻(zu)抗(kang)一(yi)頻(pin)率(lv)特(te)性(xing)，要(yao)求(qiu)它(ta)在(zai)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)電(dian)源(yuan)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)段(duan)內(nei)要(yao)有(you)低(di)的(de)等(deng)的(de)阻(zu)抗(kang)，同(tong)時(shi)，對(dui)於(yu)電(dian)源(yuan)內(nei)部(bu)
，由(you)於(yu)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)開(kai)始(shi)工(gong)作(zuo)所(suo)產(chan)生(sheng)高(gao)達(da)數(shu)百(bai)千(qian)赫(he)的(de)尖(jian)峰(feng)噪(zao)聲(sheng)
，亦(yi)能(neng)有(you)良(liang)好(hao)的(de)濾(lv)波(bo)作(zuo)用(yong)，一(yi)般(ban)低(di)頻(pin)用(yong)普(pu)通(tong)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)在(zai)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kai關guan穩wen壓ya電dian源yuan專zhuan用yong的de高gao頻pin鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi，它ta有you四si端duan個ge子zi，正zheng極ji鋁lv片pian的de兩liang端duan分fen別bie引yin出chu作zuo為wei電dian容rong器qi的de正zheng極ji
，負fu極ji鋁lv片pian的de兩liang端duan也ye分fen別bie引yin出chu作zuo為wei負fu極ji。穩wen壓ya電dian源yuan的de電dian流liu從cong四si端duan電dian容rong的de一yi個ge正zheng端duan流liu入ru，經jing過guo電dian容rong內nei部bu
，再zai從cong另ling一yi個ge正zheng端duan流liu向xiang負fu載zai；從(cong)負(fu)載(zai)返(fan)回(hui)的(de)電(dian)流(liu)也(ye)從(cong)電(dian)容(rong)的(de)一(yi)個(ge)負(fu)端(duan)流(liu)入(ru)，再(zai)從(cong)另(ling)一(yi)個(ge)負(fu)端(duan)流(liu)向(xiang)電(dian)源(yuan)負(fu)端(duan)。因(yin)為(wei)四(si)端(duan)電(dian)容(rong)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)高(gao)頻(pin)特(te)性(xing)，它(ta)為(wei)減(jian)小(xiao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)脈(mai)動(dong)分(fen)量(liang)以(yi)及(ji)抑(yi)製(zhi)開(kai)關(guan)尖(jian)峰(feng)噪(zao)聲(sheng)提(ti)供(gong)了(le)極(ji)為(wei)有(you)利(li)的(de)手(shou)段(duan)。

高gao頻pin鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi還hai有you多duo芯xin的de形xing式shi，它ta將jiang鋁lv箔bo分fen成cheng較jiao短duan的de若ruo幹gan小xiao段duan
，用yong多duo引yin出chu片pian並bing聯lian連lian接jie以yi減jian小xiao容rong抗kang中zhong的de電dian阻zu成cheng份fen，同tong時shi

，采cai用yong低di電dian阻zu率lv的de材cai料liao並bing用yong螺luo杆gan作zuo為wei引yin出chu端duan子zi
，以yi增zeng強qiang電dian容rong器qi承cheng受shou大da電dian流liu的de能neng力li。

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die片pian電dian容rong的de結jie構gou和he書shu本ben相xiang仿fang
，因yin流liu過guo電dian流liu產chan生sheng的de磁ci通tong方fang向xiang相xiang反fan而er被bei抵di消xiao，因yin而er降jiang低di了le電dian感gan的de數shu值zhi，具ju有you更geng為wei優you良liang的de高gao頻pin特te性xing，這zhe種zhong電dian容rong一yi般ban做zuo成cheng方fang形xing，便bian於yu固gu定ding，還hai可ke以yi適shi當dang減jian小xiao占zhan機ji體ti積ji。

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
，對緩衝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，由於IGBT 的開關速度已小於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。

對於普通電容器，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（小於10nF）的dv/dt≤1500V/μs，較大容量（小於0.1μF)的則為600V/μs，zaizhezhongjudaqiezhongfulvhengaodefengzhidianliuchongjixiashihennanchengshoude。suoyijingchangkeyikandaodianlidianzidianluyinxishoudianrongyingyongbudangzaochengdianrongqijichuanhuoduanlu
，sunhuaidianlidianzidianludexianxiang。

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衝擊，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(大於10nF

，小於0.47μF)或較大尺寸的可承受大於3400V/μs 以及1000A 峰值電流的衝擊。

由此可見，盡管同是無感電容、金jin屬shu化hua和he金jin屬shu箔bo電dian容rong，應ying用yong在zai吸xi收shou電dian路lu中zhong將jiang有you不bu同tong的de表biao現xian
，外wai形xing相xiang近jin但dan規gui格ge不bu同tong在zai這zhe裏li是shi絕jue對dui不bu能neng互hu換huan的de。電dian容rong器qi的de尺chi寸cun將jiang影ying響xiang電dian容rong器qi的dedv/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xi收shou電dian路lu中zhong電dian容rong器qi的de工gong作zuo特te點dian是shi高gao峰feng值zhi電dian流liu占zhan空kong比bi小xiao，有you效xiao值zhi電dian流liu不bu十shi分fen高gao

，與yu這zhe種zhong電dian路lu相xiang似si的de還hai有you晶jing閘zha管guan逆ni變bian器qi的de換huan相xiang電dian容rong器qi
，盡jin管guan這zhe種zhong電dian容rong器qi要yao求qiu的dedv/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麵不能滿足要求。

在某些特殊應用中要求儲能電容器反複急促放電，而且放電回路電阻極低、寄生電感很小，在這種場合下隻能將吸收電容並聯使用以保證長期使用的可靠性。

3．諧振電容器
xiezhenshibianhuanqi
，ruxiezhenshikaiguanwenyadianyuanjijingzhaguanzhongpindianyuanxiezhenhuiluzhongdexiezhendianrongqi，gongzuoshiwangwangliuguohendadianliu。rubinglianxiezhenshijingzhaguanzhongpindianyuan，liuguoxiezhendianrongqidexiezhendianliuweiliuguojingzhaguandianliude10 倍(bei)甚(shen)至(zhi)更(geng)高(gao)，因(yin)此(ci)必(bi)須(xu)選(xuan)擇(ze)專(zhuan)用(yong)電(dian)容(rong)器(qi)
，方(fang)能(neng)滿(man)足(zu)要(yao)求(qiu)。又(you)如(ru)電(dian)子(zi)鎮(zhen)流(liu)器(qi)的(de)諧(xie)振(zhen)電(dian)容(rong)規(gui)格(ge)選(xuan)擇(ze)不(bu)當(dang)時(shi)
，會(hui)出(chu)現(xian)電(dian)容(rong)上(shang)電(dian)壓(ya)雖(sui)沒(mei)達(da)到(dao)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)但(dan)由(you)於(yu)流(liu)過(guo)較(jiao)大(da)的(de)諧(xie)振(zhen)電(dian)流(liu)而(er)損(sun)壞(huai)的(de)現(xian)象(xiang)。

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
，並保證產品性能。
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
jiangjiaoliushidianzhuanweidiyazhiliudechangguifangfashicaiyongbianyaqijiangyahouzaizhengliulvbo
，dangshoutijihechengbendengyinsuxianzhishi，zuijiandanshiyongdefangfajiushicaiyongdianrongjiangyashidianyuan。dandianrongjiangyashidianyuanshiyizhongfeigelidianyuan，zaiyingyongshangyaotebiezhuyigeli，fangzhichudian。

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 電源後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。整流後未經穩壓的 直流電壓一般會高於30伏，並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，然後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小於C1的充放電電流時，多餘的電流就會流過穩壓管

，若穩壓管的最 大允許電流Idmax小於Ic-Io時易造成穩壓管燒毀。

（2）為保證C1可靠工作

，其耐壓選擇應大於兩倍的電源電壓。

（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的關係可近似認為：C=14.5 I，其中C的容量單位是μF，Io的單位是A。

延伸閱讀：一種基於電容的電磁全隔離直流電源傳輸電路

 第五講預告：
最後一講我們以Q/A的(de)形(xing)式(shi)
，一(yi)起(qi)探(tan)討(tao)工(gong)程(cheng)師(shi)在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)使(shi)用(yong)電(dian)容(rong)的(de)常(chang)見(jian)問(wen)題(ti)及(ji)技(ji)巧(qiao)，幫(bang)助(zhu)工(gong)程(cheng)師(shi)了(le)解(jie)電(dian)容(rong)特(te)性(xing)
，在(zai)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)中(zhong)正(zheng)確(que)選(xuan)擇(ze)和(he)運(yun)用(yong)電(dian)容(rong)，更(geng)好(hao)的(de)發(fa)揮(hui)電(dian)容(rong)儲(chu)能(neng)和(he)濾(lv)波(bo)的(de)技(ji)術(shu)特(te)性(xing)
，提(ti)高(gao)設(she)計(ji)水(shui)平(ping)和(he)產(chan)品(pin)可(ke)靠(kao)性(xing)....