電源濾波電容大小對電壓的影響

本文主要是關于電源濾波的相關介紹，并著重對電源濾波電容大小對電壓的影響進行了詳盡的闡述。

電源濾波

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，通常把這種器件稱其為濾波電容。由于濾波電路要求儲能電容有較大電容量。所以，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。正極端連接在整流輸出電路的正端，負極連接在電路的負端。在所有需要將交流電轉換為直流電的電路中，設置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干擾。濾波電容在電路中的符號一般用“C“表示，電容量應根據負載電阻和輸出電流大小來確定。當濾波電容達到一定容量后，加大電容容量反而會對其他一些指標產生有害影響。

濾波電容的特點

1、溫升低

諧波濾波器回路由電容器串聯電抗器組成，在某一諧波階次形成最低阻抗，用以吸收大量諧波電流，電容器的質量會影響諧波濾波器的穩定吸收效果，電容器的使用壽命跟溫度有很大的關系，溫度越高壽命越低，濾波全膜電容器具有溫升低等特點，可以保證其使用壽命。

2、損耗低

介質損耗角正切值（tgδ）：≤0.0003

3、安全性

符合GB、IEC標準，內部單體電容器均附裝保護裝置；當線路或單體電容器發生異常時，該保護裝置將會立即動作，自動切斷電源，以防二次災害的發生。附裝放電電阻，可確保用電及維護保養之安全。外殼采用鋼板沖壓而成，內外部涂上耐候性良好之高溫烤漆安全性特高。

4、便捷性

體積小且重量輕，搬運安裝極為方便

濾波電容用在電源整流電路中，用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。而且對于精密電路而言，往往這個時候會采用并聯電容電路［1］的組合方式來提高濾波電容的工作效果。

低頻濾波電容主要用于市電濾波或變壓器整流后的濾波，其工作頻率與市電一致為50Hz；而高頻濾波電容主要工作在開關電源整流后的濾波，其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。濾波電容在開關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人員十分關心的問題。

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，因此普通低頻鋁電解電容器的目標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劣的主要參數。而開關電源中的輸出濾波電解電容器，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指標，衡量高頻鋁電解電容優劣的標準是“阻抗-頻率”特性。要求在開關電源的工作頻率內要有較低的等效阻抗，同時對于半導體器件工作時產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萬赫茲左右便開始呈現感性，無法滿足開關電源的使用要求。而開關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，負極鋁片的兩端也分別引出作為負極。電流從四端電容的一個正端流入，經過電容內部，再從另一個正端流向負載；從負載返回的電流也從電容的一個負端流入，再從另一個負端流向電源負端。

電源濾波電容大小對電壓的影響

電容濾波電路原理非常簡單：當輸入脈動電壓ui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ui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ui的下降趨勢，從而達到降低脈動電壓的脈動程度（紋波系數）。我們也曾經被教育過：濾波電容越大，則濾波后的輸出電壓紋波越小。

那電源濾波電容的容量越大就越好嗎？

首先，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。

如前述橋式整流濾波，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的紋波改善值就只有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?。ㄐ詢r比低），不值得這么做；

其二，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適用性法則（夠用就好）。

當輸入脈動直流電壓的紋波電壓經濾波電容（電路）后被控制在允許的范圍之內，盡管此時輸出的直流電壓還有些波動（不是十分穩定），但我們認為濾波電容的歷史使命已經圓滿完成，濾波電路后面還會有穩壓電路進行更為精確地穩壓，如下圖所示：

電路系統中的每一個部分都有其主要職責，我們沒有必要花費更多的精力讓濾波電路去執行它并不擅長的任務，這與每個人都應當做其最擅長的事情也是一樣的道理，文章最開始我們就已經講述了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；

其三，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致命的傷害。

如果說上面兩點不成為你使用更大容量的濾波電容的理由（比如，你說你有錢任性，我就想做最好的產品感恩社會，報效祖國，花多點錢不在乎），但在紋波電流的限制下，你想使用容量過大的電容都不行（濾波電容會說：你要做好產品我不管，但你要把我弄得太大，搞不好把電路損壞了，這鍋我不背）。

大多數讀者可能對紋波電壓都有所了解，但其實相應的也還有紋波電流（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范圍（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，在數據手冊中通常用 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數據手冊） ：

上圖是耐壓值為25V的濾波電容的部分數據，相同工藝及容量下，耐壓越高則相應的紋波允許電流也越高，那濾波電容的容量過大為什么又會產生更大的紋波電流呢？

對于同樣的橋式整流濾波電路，當濾波電容的容量過大時，其相關波形如下圖所示：

在電路系統剛剛上電時，濾波電容兩端的電壓為零，此時輸入脈動電壓ui會逐漸升高，并同時對濾波電容進行充電，如果濾波電容的容量過大，則電容充電的速度會比較慢（電壓上升慢），當輸入脈動電壓ui達到峰值時，此時的輸入峰值電壓與濾波電容兩端的電壓差最高的，并且兩者之間沒有任何阻抗

電源濾波電容的選取與計算

電感的阻抗與頻率成正比，電容的阻抗與頻率成反比。所以，電感可以阻扼高頻通過，電容可以阻扼低頻通過。二者適當組合，就可過濾各種頻率信號。如在整流電路中，將電容并在負載上或將電感串聯在負載上，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；適用于小電流，電流越小濾波效果越好。

電感濾波屬電流濾波，是靠通過電流產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；適用于大電流，電流越大濾波效果越好。電容和電感的很多特性是恰恰相反的。

一般情況下，電解電容的作用是過濾掉電流中的低頻信號，但即使是低頻信號，其頻率也分為了好幾個數量級。因此為了適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（這里的高頻是相對而言）。

低頻濾波電容主要用于市電濾波或變壓器整流后的濾波，其工作頻率與市電一致為50Hz；而高頻濾波電容主要工作在開關電源整流后的濾波，其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。當我們將低頻濾波電容用于高頻電路時，由于低頻濾波電容高頻特性不好，它在高頻充放電時內阻較大，等效電感較高。因此在使用中會因電解液的頻繁極化而產生較大的熱量。而較高的溫度將使電容內部的電解液氣化，電容內壓力升高，最終導致電容的鼓包和爆裂。

電源濾波電容的大小，平時做設計，前級用4.7u，用于濾低頻，二級用0.1u，用于濾高頻，4.7uF的電容作用是減小輸出脈動和低頻干擾，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干擾。一般前面那個越大越好，兩個電容值相差大概100倍左右。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，而高頻電容的選擇最好在其自諧振頻率上。大電容是防止浪涌，機理就好比大水庫防洪能力更強一樣；小電容濾高頻干擾，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，只有在這個自諧振頻率上，等效電阻最小，所以濾波最好！

電容的等效模型為一電感Ｌ，一電阻Ｒ和電容Ｃ的串聯，

電感Ｌ為電容引線所至，電阻Ｒ代表電容的有功功率損耗，電容Ｃ。

因而可等效為串聯ＬＣ回路求其諧振頻率，串聯諧振的條件為WL=1/WC，W=2*PI*f，從而得到此式子f = 1/（2pi* LC）。，串聯ＬＣ回路中心頻率處電抗最小表現為純電阻，所以中心頻率處起到濾波效果。引線電感的大小因其粗細長短而不同，接地電容的電感一般是１ＭＭ為10nＨ左右，取決于需要接地的頻率。

采用電容濾波設計需要考慮參數：

ESR

ESL

耐壓值

諧振頻率

那么如何選取電源濾波電容呢？

電源濾波電容如何選取，掌握其精髓與方法，其實也不難

1）、理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少（1/jwc），但由于電容兩端引腳的電感效應，這時電容應該看成是一個LC串連諧振電路，自諧振頻率即器件的FSR參數，這表示頻率大于FSR值時，電容變成了一個電感，如果電容對地濾波，當頻率超出FSR后，對干擾的抑制就大打折扣，所以需要一個較小的電容并聯對地。原因在于小電容，SFR值大，對高頻信號提供了一個對地通路，

所以在電源濾波電路中我們常常這樣理解：大電容濾低頻，小電容濾高頻，根本的原因在于SFR（自諧振頻率）值不同，想想為什么？如果從這個角度想，也就可以理解為什么電源濾波中電容對地腳為什么要盡可能靠近地了。

2）、那么在實際的設計中，我們常常會有疑問，我怎么知道電容的SFR是多少？就算我知道SFR值，

我如何選取不同SFR值的電容值呢？是選取一個電容還是兩個電容？

電容的SFR值和電容值有關，和電容的引腳電感有關，所以相同容值的0402，0603，或直插式電容的SFR值也不會相同，當然獲取SFR值的途徑有兩個：1）器件Data sheet，如22pf0402電容的SFR值在2G左右， 2）通過網絡分析儀直接量測其自諧振頻率，想想如何測量S21？

知道了電容的SFR值后，用軟件仿真，如RFsim99，選一個或兩個電路在于你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的噪聲抑制比。仿真完后，那就是實際電路試驗，如調試手機接收靈敏度時，LNA的電源濾波是關鍵，好的電源濾波往往可以改善幾個dB。

電容的本質是通交流，隔直流，理論上說電源濾波用電容越大越好。但由于引線和PCB布線原因，實際上電容是電感和電容的并聯電路，（還有電容本身的電阻，有時也不可忽略）這就引入了諧振頻率的概念：ω=1/（LC）1/2

在諧振頻率以下電容呈容性，諧振頻率以上電容呈感性。因而一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波。

這也能解釋為什么同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高。

至于到底用多大的電容，這是一個參考電容諧振頻率

電容值 DIP （MHz） STM （MHz）

1.0μF 2.5 5

0.1μF 8 16

0.01μF 25 50

1000pF 80 160

100 pF 250 500

10 pF 800 1.6（GHz）

不過僅僅是參考而已，老工程師說主要靠經驗。

更可靠的做法是將一大一小兩個電容并聯，

一般要求相差兩個數量級以上，以獲得更大的濾波頻段。

文章來源：http：//blog.sina.com.cn/s/blog_545edca401000ax6.html

我看了這篇文章，也做個粗略的總結吧：

1.電容對地濾波，需要一個較小的電容并聯對地，對高頻信號提供了一個對地通路。

2.電源濾波中電容對地腳要盡可能靠近地。

3.理論上說電源濾波用電容越大越好，一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波。

4.可靠的做法是將一大一小兩個電容并聯，一般要求相差兩個數量級以上，以獲得更大的濾波頻段。

濾波電容的選取原則

經過整流橋以后的是脈動直流，波動范圍很大。后面一般用大小兩個電容；

大電容用來穩定輸出，眾所周知電容兩端電壓不能突變，因此可以使輸出平滑；

小電容是用來濾除高頻干擾的，使輸出電壓純凈；

電容越小，諧振頻率越高，可濾除的干擾頻率越高；

容量選擇：

（1）大電容，負載越重，吸收電流的能力越強，這個大電容的容量就要越大

（2）小電容，憑經驗，一般104即可

2.別人的經驗（來自互聯網）

1、電容對地濾波，需要一個較小的電容并聯對地，對高頻信號提供了一個對地通路。

2、電源濾波中電容對地腳要盡可能靠近地。

3、理論上說電源濾波用電容越大越好，一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波。

4、可靠的做法是將一大一小兩個電容并聯，一般要求相差兩個數量級以上，以獲得更大的濾波頻段。

具體案例： AC220-9V再經過全橋整流后，需加的濾波電容是多大的？ 再經78LM05后需加的電容又是多大？

前者電容耐壓應大于15V，電容容量應大于2000微發以上。 后者電容耐壓應大于9V，容量應大于220微發以上。

2.有一電容濾波的單相橋式整流電路，輸出電壓為24V，電流為500mA，要求：

（1）選擇整流二極管；

（2）選擇濾波電容；

（3）另：電容濾波是降壓還是增壓？

（1）因為橋式是全波，所以每個二極管電流只要達到負載電流的一半就行了，所以二極管最大電流要大于250mA；電容濾波式橋式整流的輸出電壓等于輸入交流電壓有效值的1.2倍，所以你的電路輸入的交流電壓有效值應是20V，而二極管承受的最大反壓是這個電壓的根號2倍，所以，二極管耐壓應大于28.2V。

（2）選取濾波電容：1、電壓大于28.2V；2、求C的大?。汗絉C≥（3--5）×0.1秒，本題中R=24V/0.5A=48歐

所以可得出C≥（0.00625--0.0104）F，即C的值應大于6250μF。

（3）電容濾波是升高電壓。

濾波電容的選用原則

在電源設計中，濾波電容的選取原則是： C≥2.5T/R

其中： C為濾波電容，單位為UF;

T為頻率， 單位為Hz

R為負載電阻，單位為Ω

當然，這只是一般的選用原則，在實際的應用中，如條件（空間和成本）允許，都選取C≥5T/R。

3.濾波電容的大小的選取

PCB制版電容選擇

印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時。操作它們時均會產生較大火花放電，必須采用RC吸收電路來吸收放電電流。一般R取1~2kΩ，C取2.2~4.7μF。

一般的10PF左右的電容用來濾除高頻的干擾信號，0.1UF左右的用來濾除低頻的紋波干擾，還可以起到穩壓的作用濾波電容具體選擇什么容值要取決于你PCB上主要的工作頻率和可能對系統造成影響的諧波頻率，可以查一下相關廠商的電容資料或者參考廠商提供的資料庫軟件，根據具體的需要選擇。至于個數就不一定了，看你的具體需要了，多加一兩個也挺好的，暫時沒用的可以先不貼，根據實際的調試情況再選擇容值。如果你PCB上主要工作頻率比較低的話，加兩個電容就可以了，一個慮除紋波，一個慮除高頻信號。如果會出現比較大的瞬時電流，建議再加一個比較大的鉭電容。

其實濾波應該也包含兩個方面，也就是各位所說的大容值和小容值的，就是去耦和旁路。原理我就不說了，實用點的，一般數字電路去耦0.1uF即可，用于10M以下；20M以上用1到10個uF，去除高頻噪聲好些，大概按C=1/f 。旁路一般就比較的小了，一般根據諧振頻率一般為0.1或0.01uF。

說到電容，各種各樣的叫法就會讓人頭暈目眩，旁路電容，去耦電容，濾波電容等等，其實無論如何稱呼，它的原理都是一樣的，即利用對交流信號呈現低阻抗的特性，這一點可以通過電容的等效阻抗公式看出來：Xcap=1/2лfC，工作頻率越高，電容值越大則電容的阻抗越小。

在電路中，如果電容起的主要作用是給交流信號提供低阻抗的通路，就稱為旁路電容；如果主要是為了增加電源和地的交流耦合，減少交流信號對電源的影響，就可以稱為去耦電容；如果用于濾波電路中，那么又可以稱為濾波電容；除此以外，對于直流電壓，電容器還可作為電路儲能，利用沖放電起到電池的作用。而實際情況中，往往電容的作用是多方面的，我們大可不必花太多的心思考慮如何定義。本文里，我們統一把這些應用于高速PCB設計中的電容都稱為旁路電容。

電容的本質是通交流，隔直流，理論上說電源濾波用電容越大越好。

但由于引線和PCB布線原因，實際上電容是電感和電容的并聯電路，（還有電容本身的電阻，有時也不可忽略）

這就引入了諧振頻率的概念：ω=1/（LC）1/2

在諧振頻率以下電容呈容性，諧振頻率以上電容呈感性。

因而一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波。

這也能解釋為什么同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高。

至于到底用多大的電容，這是一個參考。

電容諧振頻率

電容值 DIP （MHz） STM （MHz）

1.0μF 2.5 5

0.1μF 8 16

0.01μF 25 50

1000pF 80 160

100 pF 250 500

10 pF 800 1.6（GHz）

不過僅僅是參考而已，用老工程師的話說——主要靠經驗。

更可靠的做法是將一大一小兩個電容并聯，

一般要求相差兩個數量級以上，以獲得更大的濾波頻段。

一般來講，大電容濾除低頻波，小電容濾除高頻波。電容值和你要濾除頻率的平方成反比。

具體電容的選擇可以用公式C=4Pi*Pi /（R * f * f ）

電源濾波電容如何選取，掌握其精髓與方法，其實也不難。

1）理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少（1/jwc），但由于電容兩端引腳的電感效應，這時電容應該看成是一個LC串連諧振電路，自諧振頻率即器件的FSR參數，這表示頻率大于FSR值時，電容變成了一個電感，如果電容對地濾波，當頻率超出FSR后，對干擾的抑制就大打折扣，所以需要一個較小的電容并聯對地，可以想想為什么？

原因在于小電容，SFR值大，對高頻信號提供了一個對地通路，所以在電源濾波電路中我們常常這樣理解：大電容慮低頻，小電容慮高頻，根本的原因在于SFR（自諧振頻率）值不同，當然也可以想想為什么？如果從這個角度想，也就可以理解為什么電源濾波中電容對地腳為什么要盡可能靠近地了。

2）那么在實際的設計中，我們常常會有疑問，我怎么知道電容的SFR是多少？就算我知道SFR值，我如何選取不同SFR值的電容值呢？是選取一個電容還是兩個電容？電容的SFR值和電容值有關，和電容的引腳電感有關，所以相同容值的0402，0603，或直插式電容的SFR值也不會相同，當然獲取SFR值的途徑有兩個，1）器件Data sheet，如22pf0402電容的SFR值在2G左右， 2）通過網絡分析儀直接量測其自諧振頻率，想想如何量測？S21？

知道了電容的SFR值后，用軟件仿真，如RFsim99，選一個或兩個電路在于你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的噪聲抑制比。仿真完后，那就是實際電路試驗，如調試手機接收靈敏度時，LNA的電源濾波是關鍵，好的電源濾波往往可以改善幾個dB.

濾波電容的選取與計算

從網上看有兩種工程常用的計算方法：（參考，感覺有些道理）

一，當要求不是很精確的話，可以根據負載計算，每mA，2uf.

二，按RC時間常數近似等于3~5倍電源半周期估算。給出一例：

負載情況：直流1A，12V。其等效負載電阻12歐姆。

橋式整流：

RC = 3 （T/2）

C = 3 （T/2） / R = 3 x （0.02 / 2 ） / 12 = 2500 （μF）

工程中可取2200 μF，因為沒有2500 μF這一規格。若希望紋波小些，按5倍取。這里，T是電源的周期，50HZ時，T = 0.02 秒。

全波整流結果一樣，但半波整流時，時間常數加倍。

根據全波整流波形，可以看出，輸出電壓的平滑與電容充放電時間和信號的頻率有關系，當信號的頻率增大時，輸出電壓的波動就分變大，可以改變濾波電容的大小來改變充放電時間，使波動減小。這也反應了上述濾波電容的計算關系。理論上濾波電容越大濾波效果越好，輸出電壓就越平滑，但在電路接通的瞬間，電路中所產生的沖擊電流因素卻不能被忽略，這是因為，幾乎所有的電子元器件都有其可以通過的最大電流值，所以，在選擇電子元器件時，必須考慮沖擊電流所帶來的流過相關元器件瞬間電流的最大值，沖擊電流越大，對電子元器件的要求就越高，電路的成本就會提高。

結語

關于電源濾波的相關介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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