电子电路学习笔记（11）——滤波电容[通俗易懂]

一、简介

滤波电容是指安装在整流电路两端用以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出的一种储能器件。由于滤波电路要求储能电容有较大电容量，最常用的为数百至数千微法的电解电容。所以，绝大多数滤波电路使用电解电容。电解电容由于其使用电解质作为电极（负极）而得名。

电解电容的一端为正极，另一端为负极，不能接反。正极端连接在整流输出电路的正端，负极连接在电路的负端。在所有需要将交流电转换为直流电的电路中，设置滤波电容会使电子电路的工作性能更加稳定，同时也降低了交变脉动波纹对电子电路的干扰。滤波电容在电路中的符号一般用“C“表示，电容量应根据负载电阻和输出电流大小来确定。为了获得良好的滤波效果，电容放电必须慢，电容放电越慢，输出电压就越平滑、滤波效果就越好。而电容放电的快慢跟电容的容量C和负载R有关，C和R越大,电容放电就越慢。

二、电感滤波与电容滤波

电感的阻抗与频率成正比，电容的阻抗与频率成反比。所以，电感可以阻扼高频通过，电容可以阻扼低频通过。电容和电感的很多特性是恰恰相反的。二者适当组合，就可过滤各种频率信号。如在整流电路中，将电容并在负载上或将电感串联在负载上，可滤去交流纹波。

• 电容滤波：
  属电压滤波，是直接储存脉动电压来平滑输出电压，输出电压高，接近交流电压峰值；适用于小电流，电流越小滤波效果越好。

• 电感滤波：
  属电流滤波，是靠通过电流产生电磁感应来平滑输出电流，输出电压低，低于交流电压有效值；适用于大电流，电流越大滤波效果越好。

三、低频滤波和高频滤波电容

一般情况下，电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号，但即使是低频信号，其频率也分为了好几个数量级。因此为了适合在不同频率下使用，电解电容也分为高频电容和低频电容（这里的高频是相对而言）。

• 低频滤波电容：
  主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为50Hz。50赫兹工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100赫兹，充放电时间是毫秒数量级。
  为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万微法，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。

• 高频滤波电容：
  主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。其锯齿波电压频率高达数万赫兹，甚至是数十兆赫兹。
  这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率”特性。要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。

四、电源滤波电容大小对电压的影响

4.1 电容滤波电路原理

当输入脉动电压U高于滤波电容两端电压时就对电容充电，而当输入脉动电压U低于滤波电容两端电压时，滤波电容开始放电承担对负载提供电量的责任，补偿了输入脉动电压U的下降趋势，从而达到降低脉动电压的脉动程度（纹波系数）。

滤波电容越大，则滤波后的输出电压纹波越小。

4.2 滤波电容的容量越大就越好吗？

毫无疑问，容量越大则成本越高，但更重要的是，滤波容量大到一定程度，电容容量所带来的好处会越少。

1. 如桥式整流滤波，滤波电容的容量从10uF到100uF，纹波电压改善是64V-22V=42V，从100uF到1000uF的纹波改善值为22V-4.24V=19.6V，而从1000uF到4700uF的纹波改善值就只有4.24-1.35=2.89V了，如下图所示：
   
   很明显可以看到，滤波电容的容量越大，相应的纹波电压是下降了，但是滤波电容越大，则能够获得的好处就更少了，从经济学的角度看，就是边际效益越小（性价比低），不值得这么做；

2. 滤波容量过大的必要性。如果一件事情没有执行的必要，那我们就没有必要去执行，这看来是句废话，然而这也是电路设计中遵循的适用性法则（够用就好）。滤波电容存在的目的：降低交流脉动电压（纹波系数），而不是用来输出稳定的电压；

3. 滤波电容过大的可行性。滤波电容的容量过大，则充电电流（纹波电流）也会越大，过大的纹波电流对电路系统是一个致命的伤害。纹波电流（Ripple current），它的定义是：在最高工作温度条件下，电容器最大所能承受的交流纹波电流的RMS值（有效值），并且指定的纹波为频率范围（100Hz～120Hz）的正弦波。

   纹波电流在电压上的表现就是脉动电压（纹波），电容器所能承受的最大允许纹波电流受温度、损耗角度及交流频率等参数的限制，在数据手册中通常用 IR来表示，如下图所示的纹波电流（下图来自VISHAY铝电解电容038 RSU数据手册） ：

五、电源滤波电容的计算

电容的类似于水缸，一端在进水，一端在取水。电容充电是有一定的速度的，如果此时有一个人来取水（一个负载），那么进水和出水相互平衡，如果此时有一群人（多个负载）来取水，那么电容的电荷会供不过来。此时电容两端的电压就会出现波动（一会高一会低）。如果电容的容量越大，那么这种波动就会越小，供给负载的电压就会越稳定（不会随着负载的变多而抖动）。所以，储能滤波电容一般越大越好，但越大的电容越贵，所以电容的选择很有讲究。

5.1 影响纹波的因素

我们希望使用电容后，能使负载接收到一个比较稳定的电压，也就是纹波比较小，纹波就是电压的变化范围，这主要受两个因素的影响:

• 充电电压的频率或周期。 充电电压的频率表示的是对水缸取水的频率，是隔10秒取一次水还是隔5秒取一次水，即充电电压的频率。充电频率越快，表示对电容的充电效果越好，相同条件下纹波也会越小。
• 电容容值的大小。 如果电容容值很小，那么可能还没有等到下一次充电时间时，电容里面的电压（电荷量）就没有了，这样就会造成负载接收到的电压非常不稳定。

5.2 电容的计算公式

电容的选取还与放电电流的大小有关。
$$C=\frac{I_{out}}{\Delta V\times f}$$

• $I_{out}$：指的是电容的放电电流的大小，即电容后面电路的电流的大小。
• $\Delta V$：指的是从电容流出的电压的波动的大小，即纹波的最大电压和最小电压的差值。要先自己指定好纹波多大。
• $f$：指的是给电容充电的频率的大小。

注意：使用市电220V，在半波整流电路中，给电容充电的频率一般是50Hz；在全波整流电路中，一般是100Hz。 为什么这样呢？因为半波整流电路只会在正半周期给电容充电，而全波整流电路在正半周期和负半周期都会给电容充电。相当于一个周期充两次电。

5.3 电容容值计算案例

要求电压波动不超过0.9V，f=54KHz，Iout=100mA，计算电容是多少？
$$C=\frac{0.1A}{0.9V\times (54\times 10^3)Hz}\times 10^6=2.1uF$$
注：乘以10的6次方是将法拉单位转换为微法。

六、电源滤波电容的选取

采用电容滤波设计需要考虑参数：

• ESR
  电源滤波，开关电源，要看你的ESR（电容的等效串联电阻）有多大。

• ESL

• 耐压值
  电容的耐压值一般高于电容两端的最大电压的1.2–1.5倍，当然更高更好，但是实际中要考虑到电容的体积和价格，做均衡。

• 谐振频率
  高频电容的选择最好在其自谐振频率上。大电容是防止浪涌，机理就好比大水库防洪能力更强一样；小电容滤高频干扰，电容越小，谐振频率越高，可滤除的干扰频率越高。任何器件都可以等效成一个电阻、电感、电容的串并联电路，也就有了自谐振，只有在这个自谐振频率上，等效电阻最小，所以滤波最好！

• 电容的大小
  平时做设计，前级用4.7uF，用于滤低频，二级用0.1uF（104电容），用于滤高频。
  4.7uF的电容作用是减小输出脉动和低频干扰，
  0.1uF的电容应该是减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰。
  一般低频滤波电容越大越好，两个电容值相差大概100倍左右。

• 由 Leung 写于 2021 年 10 月 14 日

• 参考：【硬件电路设计】滤波电容
　　　　【转】详细解析电源滤波电容的选取与计算
　　　　【专题5: 硬件设计】 之 【2.电容】

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