開關(guān)電源設(shè)計中如何正確選擇濾波電容？

濾波電容在開關(guān)電源中起著非常重要的作用，如何正確選擇濾波電容，尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個工程技術(shù)人員都十分關(guān)心的問題。我們在電源濾波電路上可以看到各種各樣的電容，100uF，10uF，100nF，10nF不同的容值，那么這些參數(shù)是如何確定的?不要告訴我是抄別人原理圖的，呵呵。

50Hz 工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動電壓頻率僅為100Hz，充放電時間是毫秒數(shù)量級。為獲得更小的脈動系數(shù)，所需的電容量高達(dá)數(shù)十萬 μF，因此普通低頻鋁電解電容器的目標(biāo)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別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。而開關(guān)電源中的輸出濾波電解 電容器，其鋸齒波電壓頻率高達(dá)數(shù)十kHz，甚至是數(shù)十MHz，這時電容量并不是其主要指標(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)要有較低的等效阻抗，同時對于半導(dǎo)體器件工作時產(chǎn)生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。

普通的低頻電解電容器在10kHz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端子，正極鋁片的兩端 分別引出作為電容器的正極，負(fù)極鋁片的兩端也分別引出作為負(fù)極。電流從四端電容的一個正端流入，經(jīng)過電容內(nèi)部，再從另一個正端流向負(fù)載;從負(fù)載返回的電流 也從電容的一個負(fù)端流入，再從另一個負(fù)端流向電源負(fù)端。

由于四端電容具有良好的高頻特性，為減小電壓的脈動分量以及抑制開關(guān)尖峰噪聲提供了極為有利的手段。高頻鋁電解電容器還有多芯的形式，即將鋁箔分成 較短的若干段，用多引出片并聯(lián)連接以減小容抗中的阻抗成份。并且采用低電阻率的材料作為引出端子，提高了電容器承受大電流的能力。

數(shù)字電路要運行穩(wěn)定可靠，電源一定要“干凈”，并且能量補充一定要及時，也就是濾波去耦一定要好。什么是濾波去耦，簡單的說就是在芯片不需要電流的時候存儲能量，在你需要電流的時候我又能及時的補充能量。不要跟我說這個職責(zé)不是DCDC、LDO的嗎?對，在低頻的時候它們可以搞定，但高速的數(shù)字系統(tǒng)就不一樣了。

先來看看電容，電容的作用簡單的說就是存儲電荷。我們都知道在電源中要加電容濾波，在每個芯片的電源腳放置一個0.1uF的電容去耦等等，怎么我看到要些板子芯片的電源腳旁邊的電容是0.1uF的或者0.01uF的，有什么講究嗎?要搞懂這個道理就要了解電容的實際特性。理想的電容它只是一個電荷的存儲器，即C。而實際制造出來的電容卻不是那么簡單，分析電源完整性的時候我們常用的電容模型如下圖所示。

圖中ESR是電容的串聯(lián)等效電阻，ESL是電容的串聯(lián)等效電感，C才是真正的理想電容。ESR和ESL是由電容的制造工藝和材料決定的，沒法消除。那這兩個東西對電路有什么影響。ESR影響電源的紋波，ESL影響電容的濾波頻率特性。

我們知道電容的容抗Zc=1/ωC，電感的感抗Zl=ωL，( ω=2πf)，實際電容的復(fù)阻抗為Z=ESR+jωL-1/jωC= ESR+j2πf L-1/j2πf C?？梢姰?dāng)頻率很低的時候是電容起作用，而頻率高到一定的時候電感的作用就不可忽視了，再高的時候電感就起主導(dǎo)作用了。電容就失去濾波的作用了。所以記住，高頻的時候電容就不是單純的電容了。

上面說了電容的等效串聯(lián)電感是電容的制造工藝和材料決定的，實際的貼片陶瓷電容的ESL從零點幾nH到幾個nH，封裝越小ESL就越小。

從上面電容的濾波曲線上我們還看出并不是平坦的，它像一個‘V’，也就是說有選頻特性，在時候我們希望它是越平越好(前級的板級濾波)，而有時候希望它越越尖越好(濾波或陷波)。影響這個特性的是電容的品質(zhì)因素Q， Q=1/ωCESR，ESR越大，Q就越小，曲線就越平坦，反之ESR越小，Q就越大，曲線就越尖。通常鉭電容和鋁電解有比較小的ESL，而ESR大，所以鉭電容和鋁電解具有很寬的有效頻率范圍，非常適合前級的板級濾波。也就是在DCDC或者LDO的輸入級常常用較大容量的鉭電容來濾波。而在靠近芯片的地方放一些10uF和0.1uF的電容來去耦，陶瓷電容有很低的ESR。

說了那么多，那到底我們在靠近芯片的管腳處放置0.1uF還是0.01uF，下面列出來給大家參考。

所以，以后不要見到什么都放0.1uF的電容，有些高速系統(tǒng)中這些0.1uF的電容根本就起不了作用。