在電路設(shè)計(jì)過程中，電源往往是容易被忽略的環(huán)節(jié)。然而，作為的設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它在很大程度上影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能和成本。而電源設(shè)計(jì)中電容的使用，更是容易被忽視的關(guān)鍵部分。

一、電源設(shè)計(jì)中電容的工作原理

在電源設(shè)計(jì)應(yīng)用里，電容主要用于濾波（filter）和退耦 / 旁路（decoupling/bypass）。濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的重要措施。它起源于通信理論，是從含有干擾的接收信號中提取有用信號的技術(shù)。濾波主要是濾除外來噪聲，而退耦 / 旁路則是減小局部電路對外的噪聲干擾，很多人容易將二者混淆。

以一個(gè)電路結(jié)構(gòu)為例，圖中電源為 A 和 B 供電。電流經(jīng) C1 后再經(jīng)過一段 PCB 走線分開兩路分別供給 A 和 B。當(dāng) A 在某一瞬間需要很大電流時(shí)，若沒有 C2 和 C3，會因線路電感導(dǎo)致 A 端電壓變低，B 端電壓也受影響降低，局部電路 A 的電流變化就會對 B 電路的信號產(chǎn)生影響，反之亦然，這就是 “共路耦合干擾”。增加 C2 后，局部電路需要瞬間大電流時(shí)，電容 C2 可為 A 暫時(shí)提供電流，A 端電壓不會下降太多，對 B 的影響也會減小，通過電流旁路起到了退耦作用。

一般濾波主要使用大容量電容，對速度要求不高，但對電容值要求較大。若局部電路 A 是一個(gè)芯片，電容應(yīng)盡可能靠近芯片的電源引腳；若 “局部電路 A” 是一個(gè)功能模塊，可使用瓷片電容，容量不夠時(shí)也可使用鉭電容或鋁電解電容（前提是功能模塊中各芯片都有退耦電容 — 瓷片電容）。濾波電容的容量通?？蓮碾娫葱酒臄?shù)據(jù)手冊里找到計(jì)算公式。如果濾波電路同時(shí)使用電解電容、鉭電容和瓷片電容，應(yīng)把電解電容放的離開關(guān)電源近，以保護(hù)鉭電容，瓷片電容放在鉭電容后面，這樣能獲得的濾波效果。

退耦電容需要滿足容量和 ESR 兩個(gè)需求。例如，一個(gè) 0.1uF 的電容退耦效果也許不如兩個(gè) 0.01uF 電容。而且，0.01uF 電容在較高頻段有更低的阻抗，在這些頻段內(nèi)若能滿足容量需求，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(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊會給出電源設(shè)計(jì)對退耦電容的要求，如一款 500 多腳的 BGA 封裝要求 3.3V 電源至少有 30 個(gè)瓷片電容，還要有幾個(gè)大電容，總?cè)萘恳?200uF 以上。

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(tǒng)應(yīng)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(shí)等。隨著電子線路，特別是電力電子電路的發(fā)展，對不同應(yīng)用場合的電容器提出了不同的特殊要求。

從電容器的結(jié)構(gòu)來看，簡單的電容器由兩端的極板和中間的絕緣電介質(zhì)（包括空氣）構(gòu)成。通電后，極板帶電形成電壓，但由于中間的絕緣物質(zhì)，整個(gè)電容器在未超過臨界電壓（擊穿電壓）時(shí)是不導(dǎo)電的。當(dāng)物質(zhì)兩端電壓加大到一定程度，物質(zhì)可導(dǎo)電，這個(gè)電壓就是擊穿電壓。電容被擊穿后就不再是絕緣體。在中學(xué)階段，電路中的電壓一般在擊穿電壓以下，可將電容當(dāng)做絕緣體。但在交流電路中，電流方向隨時(shí)間變化，電容器充放電有時(shí)間過程，極板間會形成變化的電場，該電場也是隨時(shí)間變化的函數(shù)。

1. 濾波電容器：交流電（工頻或高頻）經(jīng)整流后需用電容器濾波使輸出電壓平滑，一般多采用鋁電解電容器。鋁電解電容器應(yīng)用時(shí)主要問題是溫度與壽命關(guān)系，基本遵循 50℃法則。在很多要求高溫和高可靠性場合，應(yīng)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。
   用于 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓電源輸入濾波電容器，因開關(guān)變換器以脈沖形式向電源汲取電能，濾波電容器中會流過較大的高頻電流。當(dāng)電解電容器等效串聯(lián)電阻（ESR）較大時(shí)，會產(chǎn)生較大損耗，導(dǎo)致電解電容器發(fā)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(chǎn)生的發(fā)熱。用于開關(guān)穩(wěn)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(shí)仍不呈現(xiàn)上升趨勢。普通電解電容器在 100kHz 后就開始呈現(xiàn)上升趨勢，用于開關(guān)電源輸出整流濾波效果相對較差。

在開關(guān)電源中，輸出濾波電解電容器的鋸齒波電壓頻率高達(dá)數(shù)萬赫茲，甚至數(shù)十兆赫茲。此時(shí)電容量不是主要指標(biāo)，衡量高頻鋁電解電容優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是 “阻抗 - 頻率” 特性，要求在開關(guān)電源的工作頻率內(nèi)有較低的等效阻抗，同時(shí)對半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。普通低頻鋁電解電容器在萬赫茲左右便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關(guān)電源的使用要求。而開關(guān)電源專用的高頻鋁電解電容器有四個(gè)端子，能為減小輸出電壓的脈動分量以及抑制開關(guān)尖峰噪聲提供有利手段。此外，高頻鋁電解電容器還有多芯形式，可減小容抗中的電阻成份，增強(qiáng)承受大電流的能力。疊片電容也稱為無感電容，具有優(yōu)良的高頻特性，一般做成方形，便于固定，還可減小占機(jī)體積。

2. 吸收與換相電容器：隨著柵控半導(dǎo)體器件的額定功率增大、開關(guān)速度加快、額定電壓升高，對緩沖電路的電容器要求也更高。在大功率電力電子電路中，IGBT 的開關(guān)速度小于 1μs，要求吸收電路電容器上的電壓變化速率 dv/dt》 V/μs 很常見。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（小于 10nF）的 dv/dt≤1500V/μs，較大容量（小于 0.1μF）的則為 600V/μs，難以承受巨大且重復(fù)率高的峰值電流沖擊。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沖擊。由此可見，無感電容、金屬化和金屬箔電容應(yīng)用在吸收電路中有不同表現(xiàn)，外形相近但規(guī)格不同不能互換。電容器的尺寸會影響其 dv/dt 及峰值電流的耐量，一般長度越大 dv/dt 和峰值電流相對越小。吸收電路中電容器的工作特點(diǎn)是高峰值電流占空比小，有效值電流不十分高，與晶閘管逆變器的換相電容器類似，但換相電容器要求的 dv/dt 較小，峰值電流與有效值電流均較大，普通電容器在電流方面不能滿足要求。在某些特殊應(yīng)用中，需將吸收電容并聯(lián)使用以保證長期使用的可靠性。

3. 諧振電容器：諧振式變換器，如諧振式開關(guān)穩(wěn)壓電源及晶閘管中頻電源諧振回路中的諧振電容器，工作時(shí)往往流過很大電流。電子鎮(zhèn)流器的諧振電容規(guī)格選擇不當(dāng)時(shí)，會出現(xiàn)電容上電壓未達(dá)擊穿電壓，但因流過較大諧振電流而損壞的現(xiàn)象。在含有電容和電感的電路中，電容和電感并聯(lián)時(shí)，可能出現(xiàn)電容電壓和電流、電感電壓和電流隨時(shí)間變化的振蕩現(xiàn)象。當(dāng)振蕩持續(xù)維持時(shí)，稱為等幅振蕩，也稱為諧振。諧振時(shí)間電容或電感兩端電壓變化一個(gè)周期的時(shí)間稱為諧振周期，諧振周期的倒數(shù)稱為諧振頻率。

三、電容降壓式電源設(shè)計(jì)實(shí)例

將交流市電轉(zhuǎn)為低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，當(dāng)受體積和成本等因素限制時(shí)，簡單實(shí)用的方法就是采用電容降壓式電源。

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中，C1 為降壓電容器，D2 為半波整流二極管，D1 在市電的負(fù)半周時(shí)給 C1 提供放電回路，D3 是穩(wěn)壓二極管，R1 為關(guān)斷電源后 C1 的電荷泄放電阻。實(shí)際應(yīng)用中常采用改進(jìn)后的電路。當(dāng)需要向負(fù)載提供較大電流時(shí)，可采用橋式整流電路。但整流后未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓一般會高于 30 伏，且會隨負(fù)載電流的變化發(fā)生很大波動，因此不適合大電流供電的應(yīng)用場合。
2. 阻容降壓電路的器件選擇原則：
   • 電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先測定負(fù)載電流的準(zhǔn)確值，然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。多余的電流會流過穩(wěn)壓管，若穩(wěn)壓管的允許電流 Idmax 小于 Ic - Io 時(shí)易造成穩(wěn)壓管燒毀。
   • 為保證 C1 可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)大于兩倍的電源電壓。
   • 泄放電阻 R1 的選擇必須保證在要求的時(shí)間內(nèi)泄放掉 C1 上的電荷。
3. 設(shè)計(jì)舉例：已知 C1 為 0.33μF，交流輸入為 220V/50Hz，可計(jì)算出 C1 在電路中的容抗 Xc，進(jìn)而求出流過電容器 C1 的充電電流 Ic。通常降壓電容 C1 的容量 C 與負(fù)載電流 Io 的關(guān)系可近似認(rèn)為：C = 14.5I，其中 C 的容量單位是 μF，Io 的單位是 A。

綜上所述，在現(xiàn)代電源技術(shù)中，不同應(yīng)用場合需要不同性能的電容器，不能混用、濫用、錯(cuò)用，以盡可能消除不應(yīng)出現(xiàn)的損壞，并保證產(chǎn)品性能。