选择最佳电容器进行电源滤波

已创建：November 24, 2020
已更新：July 1, 2024

任何受控电源供应都需要设计成在调节器部分的输入和输出处具有低噪声。降低噪声依赖于为您的供应选择正确的滤波电容器。根据电流的不同，这些电容器可能相当大，或者您可能需要并联放置大量电容器。有了正确的电容器（或电容器组），您将能够减少整流器的电压纹波，同时确保长寿命。

虽然大多数涉及“滤波电容器”的主题仅指整流器上的输出电容器，但它也可以指电压调节器输出上的电容器。滤波电容器还可以指电源输入处EMI滤波器中使用的组件。幸运的是，选择电源滤波最佳电容器时，一些相同的原则是适用的。看看我们的指南，了解如何选择您需要的电源电容器。

什么是电源滤波的最佳电容器？

尽管我们很想直接上DigiKey，找到一个滤波电容器的页面，但这种途径并不存在。事实是，不同的电容器适用于不同的目的，各种电容器的规格决定了其适用的应用。显然，您需要将电容器的大小调整到适当的值以提供纹波抑制（越大越好），但这不仅仅是计算电容量那么简单。

要开始选择电源滤波的最佳电容器，您需要深入电容器数据表并研究一些规格。一些重要的规格如下：

电容器材料：您的电容器可能是陶瓷、电解、钽、聚酯或其他材料。这决定了有用的电容范围，以及其他规格，如电压等级和寄生参数。
工作电压等级：这基本上告诉您可以施加到电容器上的最大直流或交流有效值电压。指定的工作电压在一定的操作温度范围内有效，这可能会在图表上显示。
寄生参数或自谐振频率：这些规格的陈述方式因制造商而异。制造商可能只声明ESR和ESL值，或ESL和Q因数值，这些可以用来计算自谐振频率和带宽。或者，阻抗谱将在图表中显示，然后可以用来计算ESR和ESL值。
温度系数：大多数设计师不会担心这个，但随着温度的变化，真实电容器的电容会变化，这变得很重要。因此，如果您的产品将在广泛的温度范围内运行，您应该选择一个温度系数最小的电容器。
极性：直流电路的滤波电容器有一些指定的极性，这表明电场应该穿过电容器的方向。过大的交流电压穿过有极性的电容器会过早地破坏元件。

这一系列规格将涵盖您将要处理的所有相关滤波应用。选择整流器输出电容器、EMI滤波电容器或电源调节器输出电容器的诀窍在于平衡所需的电容值与其他重要规格。方框图显示了您需要为设计选择不同类型电容器的一些位置。

上图显示了放置滤波电容器的三个典型位置以及每种情况下的重要参数。

整流器输出滤波

这里，需要考虑的重点是电容值和ESR值。这些值很重要，有两个原因。首先，需要对电容器进行尺寸设计，以便在线路振荡的半周期内最小化纹波电压。要计算所需的电容器大小，只需使用下面显示的公式：

保持特定值峰对峰纹波所需的电容器值。

在这里，当前术语指的是整流器在整流过程中电流和电压下降时，需要由电容器提供的电流。对于给定的电流，只需选择所需的电压纹波（作为幅度变化）来计算所需的电容器值。理论上，无限大的电容将产生零纹波。

ESR值是一个寄生参数，决定了电容器在充放电过程中导体加热的速度。ESR还定义了电容器可以放电的最短时间。对于连接到电网电源的系统，您将以50或60 Hz工作，因此您不需要担心放电时间。应选择具有低ESR值同时提供高电容量的滤波电容器；在这里，陶瓷是一个好选择，因为它们往往具有非常低的ESR。

EMI滤波

在设计EMI滤波器时，重要的是电路的拓扑结构和确切的电容值。自谐振也很重要，因为如果系统操作超出电容器的自谐振频率，电容器将“表现”出不同的值。此外，其他反应组件（例如，电感、扼流圈或铁氧体）将与电容器相互作用，产生复杂的耦合振荡。确保通过模拟验证您的设计，以确定滤波所需的正确电容值。

在电源线上进行EMI滤波的主要目标是共模和差模噪声消除。我总是使用非极性电容器作为连接到交流线的EMI滤波器，并且我推荐其他设计师也这样做。只要所有电容器的自谐振频率对于您关心的噪声带宽足够大，那么您就不需要太担心。

调节器输出

当放置在调节器（例如，开关调节器或LDO）的输出上时，电容器扮演双重角色。首先，其角色是在切换过程中充放电，以保持直流输出稳定。其次，其角色是将高频导电EMI引导回地面。只要自谐振频率足够高，就可以使用极性或非极性电容器进行此应用。

对于开关调节器的情况，调节器中的PWM信号将产生延伸到数百MHz的谐波，这将表现为输出上的辐射EMI和导电EMI。可以通过在电路中添加少量阻尼来减少这种EMI，例如在调节器中的开关MOSFET的输出上使用铁氧体。这里的挑战是使用一个具有足够高自谐振频率的电容器，如果电流足够低，可能需要更高的ESR。如果输出电流较大，则选择铁氧体或电感以在自谐振中引入更多阻尼。