電源電路堪稱電子設(shè)備的核心命脈，而其中開(kāi)關(guān)電源憑借其高效、緊湊與優(yōu)異的適配性，已成為當(dāng)前電源方案的主流選擇。在此背景下，如何合理選擇開(kāi)關(guān)電源中的濾波電容，成為影響整機(jī)性能的關(guān)鍵一環(huán)。

多層瓷介電容器（MLCC）以其高比容、高性能、高可靠性及低ESR等優(yōu)勢(shì)，正日益凸顯其在開(kāi)關(guān)電源中不可或缺的地位——無(wú)論是在輸入與輸出端的濾波環(huán)節(jié)，還是在諧振、緩沖等關(guān)鍵電路中，MLCC都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，成為提升電源系統(tǒng)效能與穩(wěn)定性的重要支撐。

例：如圖所示（圖1），在設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)關(guān)電源電路時(shí)，需要用到電容器作為濾波電容使用，C1為輸入濾波電容器，C2為輸出濾波電容器，對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)電源，C1和C2都可采用多層瓷介電容器，構(gòu)成全瓷型開(kāi)關(guān)電源。

圖1

那么，在開(kāi)關(guān)電源電路中如何選用多層瓷介電容器才能得到最佳濾波效果？

首先要明確濾除的源（信號(hào)）的頻率（頻譜）分布，最好知道能量分布情況（圖2）。

圖2

其次要了解多層瓷介電容器的阻抗頻率特性（圖3）。

?  在阻抗頻率特性曲線中，阻抗最低點(diǎn)的頻率是電容器的自諧振頻率?0；

?       當(dāng)工作頻率低于?0時(shí)，電容器呈容性；

?       當(dāng)工作頻率等于?0時(shí)，電容器呈阻性，并且此時(shí)的阻抗最小，僅與ESR相關(guān)；

?       當(dāng)工作頻率大于?0時(shí)，電容器呈感性。

由于電容器在自諧振頻率?0時(shí)阻抗值最小，因此選擇“自諧振”頻率越接近噪聲頻率的電容器其濾波效果越好。

圖3

一般情況下噪聲的頻譜特性都較為復(fù)雜，能量分布不均，一般低頻較大、高頻較小。為到達(dá)最佳的濾波效果，可采用多只不同容量的電容并聯(lián)（圖4）。但在并聯(lián)應(yīng)用時(shí)一定要注意反諧振現(xiàn)象。

圖4

反諧振是發(fā)生在兩個(gè)電容器間的自諧振頻率不同時(shí)的一種現(xiàn)象，并聯(lián)諧振發(fā)生在其中一個(gè)電容器的感性區(qū)以及另一個(gè)電容器的容性區(qū)，在這個(gè)頻段造成總的阻抗增加（圖5）。因此，插入損耗在出現(xiàn)反諧振的地方會(huì)變小。

圖5

消除反諧振主要有以下兩種方法：

?  在并聯(lián)電容器中間加入鐵氧體磁珠；

?  使用低ESL、低ESR的電容器，比如三端電容器。

那么，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源輸出濾波電容，如何計(jì)算？

開(kāi)關(guān)電源相對(duì)于線性電源，工作頻率更高，功率更大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，濾波范圍主要是電源的開(kāi)關(guān)頻率及高次諧波（圖6）。

圖6

濾波電容需滿足以下四點(diǎn)：

?  滿足可靠性設(shè)計(jì)要求；

?  滿足電源輸出電壓對(duì)紋波的要求；

?  滿足電源輸出電壓對(duì)噪聲的要求；

?  自發(fā)熱溫升滿足設(shè)計(jì)要求。

輸出濾波電容Cout的最小電容量可根據(jù)加載到輸出電容器上的電流變化量△I、穩(wěn)態(tài)電容充電時(shí)間ton和技術(shù)指標(biāo)要求的基波紋波電壓峰峰值△V來(lái)計(jì)算（圖7）。其中△I與電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、扼流圈、變壓器參數(shù)、電流系數(shù)和輸出電流額定值有關(guān)。電容量選型時(shí)還需考慮頻率、直流偏壓、工作溫度、長(zhǎng)時(shí)間工作對(duì)電容值的影響。

圖7

除此之外，電容器的寄生參數(shù)ESR、ESL也將引起電壓尖峰或電流尖峰，這些尖峰一般疊加在基波紋波上，表現(xiàn)為與基波紋波同步，此尖峰的峰峰值成為開(kāi)關(guān)電源輸出電壓噪聲。因此需要計(jì)算輸出電容器的ESR和ESL最大值，具體方法如下：

輸出濾波電容ESR的最大值可根據(jù)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓噪聲△VESR和加載到輸出電容器上的電流變化量△I來(lái)計(jì)算(圖8)。電容器ESR選型時(shí)還應(yīng)注意頻率、工作溫度、引入分布電阻、長(zhǎng)時(shí)間工作和儲(chǔ)存、自發(fā)熱溫升對(duì)ESR的影響，同時(shí)考慮設(shè)計(jì)冗余性；