【硬件电路设计】滤波电容
时间：2022-09-04 04:30:00
滤波器容量越大越好吗？
滤波电容的概念
- 储能装置安装在整流电路的两端，以降低交流脉动波纹系数，提高高效、平稳、直流输出，通常称为滤波电容器。
- 滤波电容的电容应根据负载电阻和输出电流确定。当滤波电容达到一定容量时，增加电容会对其他指标产生有害影响。
电感滤波和电容滤波
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。
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。
滤波电容的特点
1、温升低
- 谐波滤波器电路由电容器串联电抗器组成，在一定的谐波阶段形成最低阻抗，吸收大量的谐波电流，电容器质量会影响谐波滤波器的稳定吸收效果，电容器使用寿命与温度有很大关系，温度越高，使用寿命越低，滤波膜电容器具有温度升低的特点，可以保证其使用寿命。
2、损耗低
3、安全性
4、便捷性
5.低频滤波和高频滤波电容
- 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。
- 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。
电源滤波电容对电压的影响
电容滤波电路原理
- 输入脉动电压时Ui高于滤波电容两端电压时就对电容充电，而输入脉动电压时Ui当低于滤波器电容器两端的电压时，滤波器电容器开始放电，并对输入脉动电压进行补偿ui降低脉动电压的脉动程度(纹波系数)。
- 我们也曾经被教育过：滤波电容越大，则滤波后的输出电压纹波越小。
滤波电容的容量越大就越好吗？
- 首先，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。
- 其一，如前述桥式整流滤波，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；
- 其二，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；
- 其三，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） ：
电源滤波电容的选取与计算
- 电源滤波电容的大小，平时做设计，前级用4.7u，用于滤低频，二级用0.1u，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。一般前面那个越大越好，两个电容值相差大概100倍左右。
- 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，而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，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！
如何选取电源滤波电容
- 理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少（1/jwc），但由于电容两端引脚的电感效应，这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路，自谐振频率即器件的FSR参数，这表示频率大于FSR值时，电容变成了一个电感，如果电容对地滤波，当频率超出FSR后，对干扰的抑制就大打折扣，所以需要一个较小的电容并联对地。原因在于小电容，SFR值大，对高频信号提供了一个对地通路，
所以在电源滤波电路中我们常常这样理解：大电容滤低频，小电容滤高频，根本的原因在于SFR（自谐振频率）值不同，想想为什么？如果从这个角度想，也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要尽可能靠近地了。
- 怎么知道电容的SFR是多少？如何选取不同SFR值的电容值呢？是选取一个电容还是两个电容？
电容的SFR值和电容值有关，和电容的引脚电感有关，所以相同容值的0402，0603，或直插式电容的SFR值也不会相同，当然获取SFR值的途径有两个：1）器件Data sheet，如22pf0402电容的SFR值在2G左右， 2）通过网络分析仪直接量测其自谐振频率？
- 电容的本质是通交流，隔直流，理论上说电源滤波用电容越大越好。但由于引线和PCB布线原因，实际上电容是电感和电容的并联电路，（还有电容本身的电阻，有时也不可忽略）这就引入了谐振频率的概念：ω=1/（LC）1/2
在谐振频率以下电容呈容性，谐振频率以上电容呈感性。因而一般大电容滤低频波，小电容滤高频波。
这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。
- 电容对地滤波，需要一个较小的电容并联对地，对高频信号提供了一个对地通路。
- 电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。
- 理论上说电源滤波用电容越大越好，一般大电容滤低频波，小电容滤高频波。
- 可靠的做法是将一大一小两个电容并联，一般要求相差两个数量级以上，以获得更大的滤波频段。
