電子電路學習筆記（11）——濾波電容

一、簡介

濾波電容是指安裝在整流電路兩端

用以降低交流脈動波紋系數提升高效平滑直流輸出

的一種儲能器件。由于濾波電路要求儲能電容有較大電容量，最常用的為數百至數千微法的電解電容。是以，絕大多數濾波電路使用電解電容。電解電容由于其使用電解質作為電極（負極）而得名。

電解電容的一端為正極，另一端為負極，不能接反。正極端連接配接在整流輸出電路的正端，負極連接配接在電路的負端。在所有需要将交流電轉換為直流電的電路中，設定濾波電容會使電子電路的工作性能更加穩定，同時也降低了交變脈動波紋對電子電路的幹擾。濾波電容在電路中的符号一般用“C"表示，電容量應根據負載電阻和輸出電流大小來确定。為了獲得良好的濾波效果，電容放電必須慢，電容放電越慢，輸出電壓就越平滑、濾波效果就越好。而電容放電的快慢跟電容的容量C和負載R有關，C和R越大,電容放電就越慢。

二、電感濾波與電容濾波

電感的阻抗與頻率成正比，電容的阻抗與頻率成反比。是以，

電感可以阻扼高頻通過，電容可以阻扼低頻通過

。電容和電感的很多特性是恰恰相反的。二者适當組合，就可過濾各種頻率信号。如在整流電路中，将電容并在負載上或将電感串聯在負載上，可濾去交流紋波。

• 電容濾波：

  屬電壓濾波，是直接儲存脈動電壓來平滑輸出電壓，輸出電壓高，接近交流電壓峰值；适用于小電流，電流越小濾波效果越好。

• 電感濾波：

  屬電流濾波，是靠通過電流産生電磁感應來平滑輸出電流，輸出電壓低，低于交流電壓有效值；适用于大電流，電流越大濾波效果越好。

三、低頻濾波和高頻濾波電容

一般情況下，電解電容的作用是過濾掉電流中的低頻信号，但即使是低頻信号，其頻率也分為了好幾個數量級。是以為了适合在不同頻率下使用，電解電容也分為高頻電容和低頻電容（這裡的高頻是相對而言）。

• 低頻濾波電容：

  主要用于市電濾波或變壓器整流後的濾波，其工作頻率與市電一緻為50Hz。50赫茲工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動電壓頻率僅為100赫茲，充放電時間是毫秒數量級。

  為獲得更小的脈動系數，所需的電容量高達數十萬微法，是以普通低頻鋁電解電容器的目标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别其優劣的主要參數。

• 高頻濾波電容：

  主要工作在開關電源整流後的濾波，其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。其鋸齒波電壓頻率高達數萬赫茲，甚至是數十兆赫茲。

  這時電容量并不是其主要名額，衡量高頻鋁電解電容優劣的标準是“阻抗-頻率”特性。要求在開關電源的工作頻率内要有較低的等效阻抗，同時對于半導體器件工作時産生的高頻尖峰信号具有良好的濾波作用。

四、電源濾波電容大小對電壓的影響

4.1 電容濾波電路原理

當輸入脈動電壓U高于濾波電容兩端電壓時就對電容充電，而當輸入脈動電壓U低于濾波電容兩端電壓時，濾波電容開始放電承擔對負載提供電量的責任，補償了輸入脈動電壓U的下降趨勢，進而達到降低脈動電壓的脈動程度（紋波系數）。

濾波電容越大，則濾波後的輸出電壓紋波越小。

4.2 濾波電容的容量越大就越好嗎？

毫無疑問，容量越大則成本越高，但更重要的是，濾波容量大到一定程度，電容容量所帶來的好處會越少。

1. 如橋式整流濾波，濾波電容的容量從10uF到100uF，紋波電壓改善是64V-22V=42V，從100uF到1000uF的紋波改善值為22V-4.24V=19.6V，而從1000uF到4700uF的紋波改善值就隻有4.24-1.35=2.89V了，如下圖所示：

   

   很明顯可以看到，濾波電容的容量越大，相應的紋波電壓是下降了，但是濾波電容越大，則能夠獲得的好處就更少了，從經濟學的角度看，就是邊際效益越小（成本效益低），不值得這麼做；
2. 濾波容量過大的必要性。如果一件事情沒有執行的必要，那我們就沒有必要去執行，這看來是句廢話，然而這也是電路設計中遵循的适用性法則（夠用就好）。濾波電容存在的目的：降低交流脈動電壓（紋波系數），而不是用來輸出穩定的電壓；

3. 濾波電容過大的可行性。濾波電容的容量過大，則充電電流（紋波電流）也會越大，過大的紋波電流對電路系統是一個緻命的傷害。紋波電流（Ripple current），它的定義是：在最高工作溫度條件下，電容器最大所能承受的交流紋波電流的RMS值（有效值），并且指定的紋波為頻率範圍（100Hz～120Hz）的正弦波。

   紋波電流在電壓上的表現就是脈動電壓（紋波），電容器所能承受的最大允許紋波電流受溫度、損耗角度及交流頻率等參數的限制，在資料手冊中通常用 IR來表示，如下圖所示的紋波電流（下圖來自VISHAY鋁電解電容038 RSU資料手冊） ：

   

五、電源濾波電容的計算

電容的類似于水缸，一端在進水，一端在取水。電容充電是有一定的速度的，如果此時有一個人來取水（一個負載），那麼進水和出水互相平衡，如果此時有一群人（多個負載）來取水，那麼電容的電荷會供不過來。此時電容兩端的電壓就會出現波動（一會高一會低）。如果電容的容量越大，那麼這種波動就會越小，供給負載的電壓就會越穩定（不會随着負載的變多而抖動）。是以，儲能濾波電容一般越大越好，但越大的電容越貴，是以電容的選擇很有講究。

5.1 影響紋波的因素

我們希望使用電容後，能使負載接收到一個比較穩定的電壓，也就是紋波比較小，紋波就是電壓的變化範圍，這主要受兩個因素的影響:

• **充電電壓的頻率或周期。**充電電壓的頻率表示的是對水缸取水的頻率，是隔10秒取一次水還是隔5秒取一次水，即充電電壓的頻率。充電頻率越快，表示對電容的充電效果越好，相同條件下紋波也會越小。
• **電容容值的大小。**如果電容容值很小，那麼可能還沒有等到下一次充電時間時，電容裡面的電壓（電荷量）就沒有了，這樣就會造成負載接收到的電壓非常不穩定。

5.2 電容的計算公式

電容的選取還與放電電流的大小有關。

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​：指的是電容的放電電流的大小，即電容後面電路的電流的大小。
• Δ V \Delta V ΔV：指的是從電容流出的電壓的波動的大小，即紋波的最大電壓和最小電壓的內插補點。要先自己指定好紋波多大。
• f f f：指的是給電容充電的頻率的大小。

注意：使用市電220V，在半波整流電路中，給電容充電的頻率一般是50Hz；在全波整流電路中，一般是100Hz。 為什麼這樣呢？因為半波整流電路隻會在正半周期給電容充電，而全波整流電路在正半周期和負半周期都會給電容充電。相當于一個周期充兩次電。

5.3 電容容值計算案例

要求電壓波動不超過0.9V，f=54KHz，Iout=100mA，計算電容是多少？

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次方是将法拉機關轉換為微法。

六、電源濾波電容的選取

采用電容濾波設計需要考慮參數：

• ESR

  電源濾波，開關電源，要看你的ESR（電容的等效串聯電阻）有多大。

• ESL

• 耐壓值

  電容的耐壓值一般高于電容兩端的最大電壓的1.2–1.5倍，當然更高更好，但是實際中要考慮到電容的體積和價格，做均衡。

• 諧振頻率

  高頻電容的選擇最好在其自諧振頻率上。大電容是防止浪湧，機理就好比大水庫防洪能力更強一樣；小電容濾高頻幹擾，電容越小，諧振頻率越高，可濾除的幹擾頻率越高。任何器件都可以等效成一個電阻、電感、電容的串并聯電路，也就有了自諧振，隻有在這個自諧振頻率上，等效電阻最小，是以濾波最好！

• 電容的大小

  平時做設計，前級用

  4.7uF

  ，用于濾低頻，二級用

  0.1uF（104電容）

  ，用于濾高頻。

  4.7uF

  的電容作用是減小輸出脈動和低頻幹擾，

  0.1uF

  的電容應該是減小由于負載電流瞬時變化引起的高頻幹擾。

  一般低頻濾波電容越大越好，兩個電容值相差大概100倍左右。

• 由 Leung 寫于 2021 年 10 月 14 日

• 參考：【硬體電路設計】濾波電容

　　　　【轉】詳細解析電源濾波電容的選取與計算

　　　　【專題5: 硬體設計】 之 【2.電容】