电子电路学习笔记（11）——滤波电容
时间：2022-08-21 11:30:01
一、简介
滤波器电容器是指安装在整流电路两端的
降低交流脉动波纹系数，提高直流输出效率储能装置。由于滤波电路要求储能电容量大，最常用的是数百至数千微法电解电容。绝大多数滤波电路使用电解电容。电解解质为电极(负极)命名电解电容。
电解电容器的一端是正极，另一端是负极，不能反转。正极连接到整流输出电路的正端，负极连接到电路的负端。在所有需要将交流电转换为直流电路的电路中，过滤电容的设置将稳定电子电路的工作性能，减少交流脉动波纹对电子电路的干扰。C"电容应根据负载电阻和输出电流确定。为了获得良好的滤波效果，电容器放电必须缓慢，电容器放电越慢，输出电压越平稳，滤波效果越好。电容器放电的速度与电容器容量C和负载R有关，C电容越大，电容放电越慢。
二、电感滤波和电容滤波
电感阻抗与频率成正比，电容阻抗与频率成反比。所以，电感可以阻高频通过，电容能阻止低频通过。电容器和电感器的许多特性恰恰相反。两者的适当组合可以过滤各种频率信号。例如，在整流电路中，可以过滤交流纹波并将电容器与负载或电感器串联在负载上。
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电容滤波：
属于电压滤波器，直接存储脉动电压，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：
属于电流滤波器，通过电流产生电磁感应平滑输出电流，输出电压低于交流电压的有效值；适用于大电流，滤波效果越好。
三、低频滤波和高频滤波电容
一般来说，电解电容器的功能是过滤掉电流中的低频信号，但即使是低频信号也分为几个数量级。因此，为了适合不同频率的使用，电解电容器也分为高频电容器和低频电容器（这里的高频相对而言）。
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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。普通电解电容器用于50赫兹工频电路，其脉动电压频率仅为100赫兹，充放电时间为毫秒。
为了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提高电容量。识别其优缺点的主要参数是电容量、损耗角正切值和漏电流。 -
高频滤波电容：
开关电源整流后的滤波器主要工作，工作频率为数千Hz到几万Hz。锯齿波电压频率高达数万赫兹，甚至数十兆赫兹。
此时，电容量不是其主要指标。衡量高频铝电解电容器质量的标准是阻抗频率特性。开关电源的工作频率需要较低的等效阻抗，对半导体设备工作时产生的高频峰值信号具有良好的滤波效果。
四、电源滤波电容对电压的影响
4.1 电容滤波电路原理
当输入脉动电压U高于过滤电容器两端电压时，当输入脉动电压U低于过滤电容器两端电压时，过滤电容器开始放电，以补偿输入脉动电压U的下降趋势，从而降低脉动电压（纹波系数）。
滤波电容越大，滤波后的输出电压纹波越小。
4.2 滤波器容量越大越好吗？
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。
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如桥式整流滤波，滤波电容的容量从10uF到100uF，纹波电压改善为64V-22V=42V，从100uF到1000uF纹波改善值为22V-4.24V=19.6V，而从1000uF到4700uF只有4个纹波改善值.24-1.35=2.89V如下图所示：
很明显，可以看到，滤波电容的容量越大，相应的纹波电压下降，但滤波电容越大，好处就越少，从经济学的角度来看，边际效益越小(性价比低)，不值得这样做； -
滤波容量过大的必要性。如果没有必要执行一件事，我们就不需要执行它。这似乎是胡说八道。然而，这也是电路设计中遵循的适用性规则（足够）。滤波电容的目的是降低交流脉动电压(纹波系数)，而不是输出稳定的电压；
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滤波电容过大的可行性。过滤电容过大，充电电流(纹波电流)越大，过大的纹波电流对电路系统造成致命伤害。纹波电流（Ripple current），其定义是电容器在最高工作温度下能承受的交流纹波电流RMS值(有效值)，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性能是脉动电压(纹波)。电容器能承受的最大允许纹波电流受温度、损耗角度、交流频率等参数的限制，通常用于数据手册 IR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、计算电源滤波电容
电容器类似于水缸，一端进水，一端取水。电容充电有一定的速度。如果一个人在这个时候取水（一个负载），进水和出水是平衡的。如果一群人（多个负载）在这个时候取水，电容的电荷将无法供应。此时，电容器两端的电压会波动（高低）。如果电容量越大，波动越小，供应负载的电压越稳定(不会随着负载的增加而抖动)。因此，储能滤波电容器越大越好，但电容器越大越贵，所以电容器的选择非常特殊。
5.1 影响纹波的因素
我们希望在使用电容器后，负载能够接收到相对稳定的电压，即纹波相对较小，纹波是电压的变化范围，主要受两个因素的影响：
- 充电电压的频率或周期。 充电电压的频率是水缸取水的频率，是每10秒取一次水还是每5秒取一次水，即充电电压的频率。充电频率越快，电容器充电效果越好，同等条件下纹波越小。
- 电容值的大小。 如果电容值很小，电容中的电压(电荷量)可能在下次充电时间之前就消失了，这将导致负载接收到的电压非常不稳定。
5.2 电容计算公式
电容器的选择也与放电电流的大小有关。
C = I o u t Δ V × f C = \frac{I_{out}}{\Delta V × f} C=ΔV×fIout
- I o u t I_{out} Iout：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。
- Δ V \Delta V ΔV：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 f 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 = 0.1 A 0.9 V × ( 54 × 1 0 3 ) H z × 1 0 6 = 2.1 u F C = \frac{0.1A}{0.9V × (54 × 10^3) Hz}×10^6 = 2.1uF C=0.9V×(54×103)Hz0.1A×106=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：
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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
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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】
