一、什么是濾波電容

安裝在整流電路兩端用以降低交流脈動波紋系數(shù)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(shù)濾波電路使用電解電容。電解電容由于其使用電解質(zhì)作為電極（負(fù)極）而得名。電解電容的一端為正極，另一端為負(fù)極，不能接反。正極端連接在整流輸出電路的正端，負(fù)極連接在電路的負(fù)端。在所有需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路中，設(shè)置濾波電容會使電子電路的工作性能更加穩(wěn)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(yīng)根據(jù)負(fù)載電阻和輸出電流大小來確定。當(dāng)濾波電容達(dá)到一定容量后，加大電容容量反而會對其他一些指標(biāo)產(chǎn)生有害影響。

二、濾波電容的特點(diǎn)

1、溫升低

諧波濾波器回路由電容器串聯(lián)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(zhì)量會影響諧波濾波器的穩(wěn)定吸收效果，電容器的使用壽命跟溫度有很大的關(guān)系，溫度越高壽命越低，濾波全膜電容器具有溫升低等特點(diǎn)，可以保證其使用壽命。

2、損耗低

介質(zhì)損耗角正切值（tgδ）：≤0.0003。

3、安全性

符合GB、IEC標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部單體電容器均附裝保護(hù)裝置；當(dāng)線路或單體電容器發(fā)生異常時，該保護(hù)裝置將會立即動作，自動切斷電源，以防二次災(zāi)害的發(fā)生。附裝放電電阻，可確保用電及維護(hù)保養(yǎng)之安全。外殼采用鋼板沖壓而成，內(nèi)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(yùn)安裝極為方便。

三、濾波電容的作用

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(lián)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(guān)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(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)人員十分關(guān)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(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)十萬微法，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)萬赫茲，甚至是數(shù)十兆赫茲。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。

四、濾波電容選取原則

在電源設(shè)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F；

T為周期，單位為S，T=1/f；

f為交流電源頻率，單位為Hz；

R為負(fù)載電阻，單位為Ω；

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

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。

五、濾波電容大小計算公式

橋式整流電路的濾波電容取值在工程設(shè)計中，一般由兩個切入點(diǎn)來計算。

一是根據(jù)電容由整流電源充電與對負(fù)載電阻放電的周期，再乘上一個系數(shù)來確定的，另一個切入點(diǎn)是根據(jù)電源濾波輸出的波紋系數(shù)來計算的，無論是采用那個切入點(diǎn)來計算濾波電容都需要依據(jù)橋式整流的最大輸出電壓和電流這兩個數(shù)值。通常比較多的是根據(jù)電源濾波輸出波紋系數(shù)這個公式來計算濾波電容。

C≥0.289/{f&TImes;（U/I）&TImes;ACv}

C，是濾波電容，單位為F。

0.289，是由半波阻性負(fù)載整流電路的波紋系數(shù)推演來的常數(shù)。

f，是整流電路的脈沖頻率，如50Hz交流電源輸入，半波整流電路的脈沖頻率為50Hz，全波整流電路的脈沖頻率為100Hz。單位是Hz。

U，是整流電路最大輸出電壓，單位是V。

I，是整流電路最大輸出電流，單位是A。

ACv，是波紋系數(shù)，單位是%。

例如，橋式整流電路，輸出12V，電流300mA，波紋系數(shù)取8%，濾波電容為：

C≥0.289/{100Hz&TImes;（12V/0.3A）&TImes;0.08}

濾波電容約等于0.0009F，電容取1000uF便能滿足基本要求。

六、濾波電容的大小的選取

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(chǎn)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(wěn)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(tǒng)造成影響的諧波頻率，可以查一下相關(guān)廠商的電容資料或者參考廠商提供的資料庫軟件，根據(jù)具體的需要選擇。至于個數(shù)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(jù)實(shí)際的調(diào)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(xiàn)比較大的瞬時電流，建議再加一個比較大的鉭電容。其實(shí)濾波應(yīng)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(shí)用點(diǎn)的，一般數(shù)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(jù)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?zāi)垦?，旁路電容，去耦電容，濾波電容等等，其實(shí)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(xiàn)低阻抗的特性，這一點(diǎn)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(shí)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(tǒng)一把這些應(yīng)用于高速PCB設(shè)計中的電容都稱為旁路電容。電容的本質(zhì)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(shí)際上電容是電感和電容的并聯(lián)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）

1.0μF2.55

0.1μF816

0.01μF2550

1000pF80160

100pF250500

10pF8001.6（GHz）

不過僅僅是參考而已，用老工程師的話說——主要靠經(jīng)驗(yàn)。更可靠的做法是將一大一小兩個電容并聯(lián)，一般要求相差兩個數(shù)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(shí)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(yīng)，這時電容應(yīng)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(shù)，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(dāng)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(lián)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，根的原因在于SFR（自諧振頻率）值不同，當(dāng)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(shí)際的設(shè)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(guān)，和電容的引腳電感有關(guān)，所以相同容值的0402，0603，或直插式電容的SFR值也不會相同，當(dāng)然獲取SFR值的途徑有兩個，1）器件Datasheet，如22pf0402電容的SFR值在2G左右，2）通過網(wǎng)絡(luò)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(shí)際電路試驗(yàn)，如調(diào)試手機(jī)接收靈敏度時，LNA的電源濾波是關(guān)鍵，好的電源濾波往往可以改善幾個dB。

編輯：黃飛

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