电源设计中电容的工作原理与正确选用.docx

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1、电源设计中电容的工作原理与正确选用电源往往是我们在电路设计过程中的容易忽略的环节.作为一款优秀的设计，电源设计应当是很亟要的，它很大程度膨响了整个系统的性能和成本。电源设计中的电容使用，往往又是电源设计中最容易被忽略的地方。一、电源设计中电设的工作原理在电源设计应用中，电容主要用于滤波(fiIter)和退耦/旁路(dec。UPIing/bypass)。港波是将值号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。根据观察某一随机过程的结果，对另一与之有关的随机过程进行估计的概率理论与方法。滤波词起源于通值理论，它是从含有干扰的接收信号中提取有用信号的一种技术.“接收信号”相当于被观测的

2、随机过程，“有用信号”相当于被估计的随机过程。游波主耍指漉除外来噪声，而退耦/旁路(一种，以旁路的形式达到退耦效果，以后用“退耦”代替)是减小同部电路对外的噪声干扰。很多人容易把两者搞混。下面我们看一个电路结构：图中电源为A和B典。电潦经C1.后再经过一段期走线分开两路分别供给A和B。当A在某一瞬间需要一个很大的电潦时，如果没有C2和C3,那么会因为线路电感的原因A端的电压会变低，而B端电压同样受端电压影响而降低，于是局部电路A的电流变化引起了局部电路B的电源电压，从而对B电路的信号产生影响。同样，B的电潦变化也会对A形成干扰。这就是“共路耦金干扰”。增加了C2后，局部电路再需要个瞬间的大电流

3、的时候，电容C2可以为A暂时提供电流，即使共路部分电感存在，A端电压不会下降太多0对B的影响也会减小很多，于是通过电流旁路起到了退耦的作用。一般浊波主要使用大容量电容，对速度耍求不是很快，但对电容值要求较大。如果图中的局部电路A是指一个芯片的话,而且电容尽可能靠近芯片的电源引脚。而如果“局部电路A”是指一个功能模块的话，可以使用瓷片电容，如果容量不够也可以使用钮电容或铝电解电容(前提是功能模块中各芯片都有了退耦电容一兖片电容)。漉波电容的容由往往都可以从电源芯片的数据手册里找到计里公式。如果滤波电路同时使用电解电容、铜电容和直片电容的话，把电解电容放的离IE去史魂最近，这样能保护笆电容。爱片电

4、容放在笆电容后而。这样可以获得最好的滤波效果。退耦电容需要满足两个要求，一个是容量需求，另一个是ESR需求。也就是说一个0.1UF的电容退耦效果也许不如两个0.O1.uF电容效果好。而且，0.0IUF电容在较高频段有更低的阻抗，在这些频段内如果一个SO1.uF电容能达到容量需求，那么它将比0IuF电容拥有更好的退稿效果.很多管脚较多的高速芯片设计指导手册会给出电源设计对退耦电容的要求，比如一款500多脚的BGA封装要求3.3V电源至少有30个直片电容，还耍有几个大电容，总容量要200UF以上二、各类电源中电容器的正确选用电容器作为基本元件在电广线路中起着重要作用,在传统的应用中，电容器主要用作

5、旁路耦合、电源戏波、南直以及小信号中的振荡、延时等.随着也壬线路，特别是电力电子电路的发展时不同应用场合的电容器提出了不同的特殊要求。电容器的结构上说起。最简单的电容器是由两端的极板和中间的绝缘电介质（包括空气）构成的。通电后，极板带电，形成电压（电势差）,但是由于中间的绝缘物侦，所以整个电容器是不导电的。不过，这样的情况是在没有超过电容器的临界电压（击穿电压）的前提条件下的。我们知道，任何物质都是相对绝缘的，当物质两湍的电压加大到一定程度后，物质是都可以导电的，我们称这个电压叫击穿电压。电容也不例外，电容被击穿后，就不是绝缘体/不过在中学阶段，这样的电压在电路中是见不到的，所以都是在击穿电压

6、以下工作的，可以被当做绝缘体看。但是，在交流电路中，因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的。而电容罂充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成变化的电场，而这个电场也是随时间变化的函数。01滤波电容器交流电（工频或高频）经整流后需用电容器波波使输出电压平滑，要求电容器容量大，一般多采用铝电解电容器。铝电解电容器应用时主要问题是温度与寿命关系，基本遵循5（C法则。因此在很多要求高温和高可垂性场合下，应选用长寿命（如500Oh以上，甚至105C,500Oh）电解电容器。一般体积小的电解电容器，其寿命相对较短。用DC/DC开关稳压电源输入滤波电容器，因开关变换器是以脉冲形式向电源汲取电能，

7、故波波电容器中潦过较大的尚频电潦，当电解电容器等效串联IM（ESR）较大时，将产生较大损耗，导致电解电容器发热。而低ESR电解电容器则可明显减小纹波（特别是高频纹波）电流产生的发热。用于开关稳压电源输出整流的电解电容器，要求其阻抗频率特性在300kHz甚至50OkHZ时仍不呈现上升Q势。而普通电解电容器在100kHz后就开始呈现上升趋势，用于开关电源输出整流滤波效果相对较差。笔行在实验中发现，普通某型中4700F,16V电解电容器，用于开关电源输出彼波的纹波与尖峰并不比某型47gpF,16V高频电解电容器的低,同时普通电解电容器温升相对较高。当负我为突变情况时，用普通电解电容潺的瞬态响应远不如

8、高频电解电容器。由于铝电解电容器在高频段不能很好地发挥作用，应辅之以高频特性好的陶谎或无感遵膜电容器，其主要优点是：高频特性好，ESR低，如某型容量1UF电容器，谐振频率达2MHz以上,等效阻抗小于0.02Q,远低于电解电容器，而且容量越小谐振频率越高（可达50MHZ以上），这样将得到很好的电源的输出频率响应或动态响应。在渡波电容器中我们着重讲解在开关电源中怎样选用灌波电容,开关电源怎样选用波波电容浓波电容在开关电源中起着非常重要的作用，如何正确选择灌波电容，尤其是输出波波电容的选择则是每个工程技术人员十分关心的问题。50赫兹工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100赫兹，充放电

9、时间是本秒数量级。为获得更小的脉动系数，所需的电容量将达数十万微法，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出戏波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数万赫兹，甚至是数十兆赫兹。这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率特性。要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导住器件工作时产生的高须尖峰信号具有良好的滤波作用。许多电子设计者都知道4波电容在电源中起的作用，但在开关电源输出端用的滤波电容上，与工频电路中选用的滤波电容并不一样，其上的脉动电压频率仅有100穆兹，充放

10、电时间是电秒数量级，为获得较小的脉动系数，需要的电容量而达数十万微法，因而一般低频用普通铝电解电容器制造，目标是以提r电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。在开关稳压电源中作为输出波波用的电解电容器，其上锯齿波电压的频率高达数十千稀，甚至数十兆赫，它的要求和低频应用时不同，电容量并不是主要指标，衡量它好坏的则是它的因抗频率特性，要求它在开关稳压电源的工作频段内要有低的等的阻抗，同时，对手电源内部，由于半导体器件开始工作所产生高达数百千赫的尖峰噪声，亦能有良好的滤波作用，一般低频用普通电解电容器在10千赫左右，其阻抗便开始呈现感性，无法满足开关电源使用要求。普

11、通的低频电解电容器在万赫兹左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个虹，正极相片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别用出作为负极。电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端潦向负载:从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。开关稳压电源专用的高频铝电解电容器,它有四湍个子，正极锯片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。稳压电源的电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载;从负我返回的电流也从电容的个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。因为四

12、端电容具有良好的高濒特性，它为减小输出电压的脉动分出以及抑制开关尖峰噪声提供了极为有利的手段。开关稳压电源具有多功能综合保护：稳压器除J最基本的稳定电压功能以外，还应具有过压保护（超过输出电压的+10%）、欠压保护（低于输出电压的一10%）,缺相保护、短路过我保护最基本的保护功能。尖脉冲抑制（可选）：电网有时会出现幅值很高，脉宽很窄的尖脉冲，它会击穿耐压较低的电子元件。桎用电源的抗浪涌组件能够对这样的尖脉冲起到很好的抑制作用。高频铝电解电容器还有多芯的形式，它将铝箔分成较短的若干小段，用多用出片并联连接以减小容抗中的电阻成份，同时，采用低电网率的材料并用螺杆作为引出端子，以增强电容器承受大电流

13、的能力。叠片电容也称为无感电容，般电解电容罂的芯子都卷成圆柱形,等效串联电感较大:微片电容的结构和书本相仿，因流过电流产生的磁通方向相反而被抵消，因而降低了电感的数值，具有更为优良的尚领特性，这种电容一般做成方形，便于固定，还可以适当减小占机体积。图电容降乐电源电路02吸收与换相电容器随着概控半导体器件的额定功率越做越大，开关速度越来越快，额定电压越来越高，对缓冲电路的电容器仅仅要求足够的耐用、容量及优异的高频特性是不够的。在大功率电力电子电路中，由于幽的开关速度已小于Ius,要求吸收电路电容器上的电压变化速率dvdt103Vs己是很正常的，有的要求104Vs甚至105Vs.对于普通电容罂，特

14、别是普通金网化电容器的dv/dt目前吸收电路专用电容器，即金属箱电极可承受较大的峰值电流和有效值电流冲击，如:较小容量（IonF以下）的可承受K）OooOV/us45以OOYs的电压变化率、370OA峰值电流和达9A有效值电流;较大容量（大于IOnF,小于0.47F）或较大尺寸的可承受大于3400VS以及1000A峰值电流的冲击。由此可见，尽管同是无感电容、金斶化和金属箔电容，应用在吸收电路中聘有不同的表现，外形相近但规格不同在这里是绝对不能互换的。电容器的尺寸将影响电容涔的dv/dt及峰值电流的耐量，一般而言，长度越大小dt和峰值电流则相对较小。吸收电路中电容港的工作特点是高峰值电流占空比小

15、，有效值电流不十分高，与这种电路相似的还有品闸管逆变器的换相电容器，尽管这种电容器要求的dv/dt较吸收电容器小，但峰值电流与有效值电流均较大，采用普通电容器在电流方面不能满足要求。在某些特殊应用中要求储能电容器反贪急促放电，而且放电回路电阻极低、寄生电感很小，在这种场合卜.只能将吸收电容并联使用以保证长期使用的可苑性。03谐振电容器谐振式变换器，如谐振式开关稳压电源及晶闸管中频电源谐振回路中的谐振电容器，工作时往往流过很大电流。又如电子镇流器的谐振电容规格选择不当时，会出现电容上电压虽没达到击穿电压但由于流过较大的谐振电流而损坏的现型。在含有电容和电感的电路中，如果电容和电感并联，可能出现在

16、某个很小的时间段内：电容的电压逐渐升高，而电流却逐渐减少；与此同时电感的电流却逐渐增加，电感的电压却逐渐降低。而在另一个很小的时间段内：电容的电压逐渐降低，而电流却逐渐增加;与此同时电感的电流却逐渐减少，电感的电压却逐渐升高。电压的增加可以达到一个正的最大值，电压的降低也可达到一个负的最大值，同样电流的方向在这个过程中也会发生正负方向的变化，此时我们称为电路发生电的振荡.电路振荡现象可能逐渐消失，也可能持续不变地维持着。当震荡持续维持时，我们称之为等幅振荡，也称为谐振。谐振时间电容或电感两锻电压变化个周期的时间称为谐振周期,谐振周期的倒数称为谐振频率.所谓谐振频率就是这样定义的.综上所述，在现代电源技术中,不同应用场合需要不同性能的电容器，不能混用、滥用、错用，以尽可能消除不应出现的损坏，并保证产品性能三、电容降压式电源设