钽电容对电源滤波电路的影响
文章出处：AVX钽电容代理商：斯珀瑞特电子（香港）有限公司 作者： 浏览次数：96 发表时间：2015-10-23 16:18:00
都知道钽电容在电子线路中的主要作用就滤波作用，那么电源滤波线路对钽电容选型又有具体的那些要求呢？下面我们一起来探讨这个问题！
线性电源和开关电源。
1、线性电源
这类电源结构简单，由变压、整流、滤波三部分组成，纹波系数小、干扰小，缺点是体积庞大、效率低，其结构框图如下( 图1) ：
线性电源对滤波电容的要求（钽电容选型需要注意的）：
（1）R1C1≥ （1.5~2.5）T，T为电网电压周期（市电网50Hz,国外网60Hz，航空供电400Hz），即要求滤波电容器有足够的容量；
（2）耐压≥ 1.414U2；
（3）较小的损耗，以抑制纹波。
2、开关电源
随着电子装备不断地小型化，采用开关电源是必然趋势，开关电源以其优异的性能，渗透到电能节约、功率变换和自动控制的每一个应用领域。其原理框图如下图示( 图2) ：
开关电源一般又可分为AC/DC变换电源和DC/DC变换电源两种类型。前者输入为交流电压，通过整流滤波后，经功率变换输出所需的直流电压，请看原理框图( 图3) ：
DC/DC变换电源又可称为直流斩波器，它将输入的直流电压通过功率开关元件转换成宽度可调的脉动电压，经滤波后获得所需的直流电压，输出电压Uo取决于斩波开关的通断时间及输入电压Ui的大小，它们之间的关系如下：Uo=UiTd/T原理简图如下(图4) ：
开关电源中经整流后输出的是比线性电源频率（100Hz）高很多的脉动电压，对滤波电容器性能要求更高了。
开关电源频率从十几千赫兹到数兆赫兹，电容器在高频下其各项电性能参数已发生重大变化，容量大幅衰减，损耗升高，流过电容器可能是安培级的纹波电流，没有良好高频特性的电容器是
不能担此工作的。下图（图5）为高频整流滤波交流等效图。
我们看到在100KHz条件下，电容器所呈现出的阻抗与ESR相差极小即容抗＝0，这时起主要作用的是ESR，ESR越小，u0越小，即纹波越小，滤波效果越好。另一方面，ESR越小，电容器消耗的有功功率也越小，发热量随之减小，电容器温升减小，从而能更稳定的工作。
由此可见，高频条件下电容器的ESR这一性能指标已成为头等重要的参数。近年来各电容器厂商在围绕超低ESR这一参数展开激烈竞争已就不足为奇。
若施加钽电容器上的纹波电流Imax过荷，电容器内部温度则会急剧上升，并因此而降低电容器的可靠性。一般，允许最高纹波电流和纹波电压与电容器最高允许功耗、ESR、以及外壳尺寸有关。
Imax=(Pmax/ESR)1/2式中Pmax随环境温度和外壳尺寸而异,ESR随纹波频率变化。
此外，由于开关电源存在较多的诸如电容器、电感器、开关变压器等储能元件，开关脉冲上升或下降沿容易产生电压尖峰，尤其是在电源开机或关机瞬间，电容器可能承受超过额定值的
瞬间电压。
综上所述，开关电源用滤波电容器主要考虑以下参数：
（1）等效串联电阻ESR；
（2）耗散功率；
（3）ESL；
（4）具备一定的瞬间过压和过流能力。
3、电源滤波的常用方法
在相同规格相同性能的滤波电容器中，会因线路设计的不同，其滤波效果会差异很大。
（1）一般要求较高的滤波线路中，采用电阻、电感与电容混合成T型或 π型滤波，其线路如下( 图6 、7) :
这些滤波电路，既减小了滤波电容在开机瞬间的大电流冲击，又显著提高了电源的滤波效果（因RC或LC中滤波时，可看成二者分压，因C的ESR很小，远小于R或ZL , 纹波分量很小) 。在高频开关电源中，常用LC滤波。
（2）为了避免高频瞬间干扰，线路中也常采用陶瓷电容与钽电容相并联的方式，因陶瓷电容器高频性能好（可达上百兆赫兹），而钽电容一般只能达到几十KHz到上兆赫兹，二者组合后，高
频瞬间干扰可由陶瓷电容滤除，低频滤波由钽电容完成，请看下图(图8) ：
（3）针对高频开关电源的滤波，因电容器在高频状态下，可能承受安培级的电流，主要考验其ESR参数，ESR越小，大纹波电流通过时电容器的温升就越小， 其可靠性也就越高。当电源功率较大单支产品无法通过全部纹波电流时，在线路设计中一般可以考虑采用电容器并联滤波的方式，如下图所示(图9) ：
采用这种方法改善纹波吸收效果时，若相并联的滤波电容器为不同类型产品时，一定要注意以下问题：当纹波频率在100kHz以上时，滤波电容器的容抗极小， 可以省略，两种电容器通过的纹波电流由其ESR决定，这就有可能造成小容量电容器通过大纹波电流，而大容量的电容器反而通过小纹波电流，在选用电容器时一 定要弄清相应产品的ESR性能，注意平衡并留有裕量。
做技术的朋友都知道电源电路是整机线路不可或缺的部分，是系统的“心脏”，负责整个系统能量的供应，其质量的好坏影响到整机系统的性能，电源线路设计的好坏直接影响到整个线路。那么在钽电容选型我们需要注意什么呢！首先我们来接受一下什么事电源线路
电源电路一般分为两大类：
线性电源和开关电源。
1、线性电源
这类电源结构简单，由变压、整流、滤波三部分组成，纹波系数小、干扰小，缺点是体积庞大、效率低，其结构框图如下( 图1) ：
线性电源对滤波电容的要求（钽电容选型需要注意的）：
（1）R1C1≥ （1.5~2.5）T，T为电网电压周期（市电网50Hz,国外网60Hz，航空供电400Hz），即要求滤波电容器有足够的容量；
（2）耐压≥ 1.414U2；
（3）较小的损耗，以抑制纹波。
2、开关电源
随着电子装备不断地小型化，采用开关电源是必然趋势，开关电源以其优异的性能，渗透到电能节约、功率变换和自动控制的每一个应用领域。其原理框图如下图示( 图2) ：
开关电源一般又可分为AC/DC变换电源和DC/DC变换电源两种类型。前者输入为交流电压，通过整流滤波后，经功率变换输出所需的直流电压，请看原理框图( 图3) ：
DC/DC变换电源又可称为直流斩波器，它将输入的直流电压通过功率开关元件转换成宽度可调的脉动电压，经滤波后获得所需的直流电压，输出电压Uo取决于斩波开关的通断时间及输入电压Ui的大小，它们之间的关系如下：Uo=UiTd/T原理简图如下(图4) ：
开关电源中经整流后输出的是比线性电源频率（100Hz）高很多的脉动电压，对滤波电容器性能要求更高了。
开关电源频率从十几千赫兹到数兆赫兹，电容器在高频下其各项电性能参数已发生重大变化，容量大幅衰减，损耗升高，流过电容器可能是安培级的纹波电流，没有良好高频特性的电容器是
不能担此工作的。下图（图5）为高频整流滤波交流等效图。
我们看到在100KHz条件下，电容器所呈现出的阻抗与ESR相差极小即容抗＝0，这时起主要作用的是ESR，ESR越小，u0越小，即纹波越小，滤波效果越好。另一方面，ESR越小，电容器消耗的有功功率也越小，发热量随之减小，电容器温升减小，从而能更稳定的工作。
由此可见，高频条件下电容器的ESR这一性能指标已成为头等重要的参数。近年来各电容器厂商在围绕超低ESR这一参数展开激烈竞争已就不足为奇。
若施加钽电容器上的纹波电流Imax过荷，电容器内部温度则会急剧上升，并因此而降低电容器的可靠性。一般，允许最高纹波电流和纹波电压与电容器最高允许功耗、ESR、以及外壳尺寸有关。
Imax=(Pmax/ESR)1/2式中Pmax随环境温度和外壳尺寸而异,ESR随纹波频率变化。
此外，由于开关电源存在较多的诸如电容器、电感器、开关变压器等储能元件，开关脉冲上升或下降沿容易产生电压尖峰，尤其是在电源开机或关机瞬间，电容器可能承受超过额定值的
瞬间电压。
综上所述，开关电源用滤波电容器主要考虑以下参数：
（1）等效串联电阻ESR；
（2）耗散功率；
（3）ESL；
（4）具备一定的瞬间过压和过流能力。
3、电源滤波的常用方法
在相同规格相同性能的滤波电容器中，会因线路设计的不同，其滤波效果会差异很大。
（1）一般要求较高的滤波线路中，采用电阻、电感与电容混合成T型或 π型滤波，其线路如下( 图6 、7) :
这些滤波电路，既减小了滤波电容在开机瞬间的大电流冲击，又显著提高了电源的滤波效果（因RC或LC中滤波时，可看成二者分压，因C的ESR很小，远小于R或ZL , 纹波分量很小) 。在高频开关电源中，常用LC滤波。
（2）为了避免高频瞬间干扰，线路中也常采用陶瓷电容与钽电容相并联的方式，因陶瓷电容器高频性能好（可达上百兆赫兹），而钽电容一般只能达到几十KHz到上兆赫兹，二者组合后，高
频瞬间干扰可由陶瓷电容滤除，低频滤波由钽电容完成，请看下图(图8) ：
（3）针对高频开关电源的滤波，因电容器在高频状态下，可能承受安培级的电流，主要考验其ESR参数，ESR越小，大纹波电流通过时电容器的温升就越小， 其可靠性也就越高。当电源功率较大单支产品无法通过全部纹波电流时，在线路设计中一般可以考虑采用电容器并联滤波的方式，如下图所示(图9) ：
采用这种方法改善纹波吸收效果时，若相并联的滤波电容器为不同类型产品时，一定要注意以下问题：当纹波频率在100kHz以上时，滤波电容器的容抗极小， 可以省略，两种电容器通过的纹波电流由其ESR决定，这就有可能造成小容量电容器通过大纹波电流，而大容量的电容器反而通过小纹波电流，在选用电容器时一 定要弄清相应产品的ESR性能，注意平衡并留有裕量。
以上就是是电源滤波方面在钽电容选型需要注意和考虑的一些问题
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