滤波电容的大容量带来的好处是什么

滤波电容（filter capacitor）通常并联在直流脉动电源两端，以达到降低交流脉动电压（纹波系数），继而提升直流输出平滑度的应用电容。

电容器作为滤波目的而应用在威廉希尔官方网站 中，可能是大多数读者开始学习电容概念时最先接触到的，最常见、最简单的单个电容滤波威廉希尔官方网站 如下图所示：

其相关的输入输出波形如下图所示：

电容滤波威廉希尔官方网站 原理非常简单：当输入脉动电压ui高于滤波电容两端电压时就对电容充电，而当输入脉动电压ui低于滤波电容两端电压时，滤波电容开始放电承担对负载提供电量的责任，补偿了输入脉动电压ui的下降趋势，从而达到降低脉动电压的脉动程度（纹波系数）。我们也曾经被教育过：滤波电容越大，则滤波后的输出电压纹波越小。

滤波电容并联在整流威廉希尔官方网站 之后是最为常见的应用，我们用下图所示的桥式整流滤波威廉希尔官方网站 来仿真一下滤波电容的大容量带来的好处：

这里我们在全桥整流威廉希尔官方网站 后并联一个容量较小的滤波电容C1（10uF），其相关输入输出波形如下图所示：

我们测量一下输出电压的脉动大小（纹波电压），大概是64V左右。结果确实是惨了点，我们再换个大点的滤波电容（100uF）重新仿真一下，其相关波形如下图所示：

纹波电压约为20V，咱们再接再厉选个更大点的滤波电容（1000uF），其波形如下图所示：

其纹波电压约为4.24V。当滤波电容为4700uF时，其波形如下图所示：

看起来跟滤波电容为1000uF时的波形没有多大区别，实际测试输出纹波电压约为1.35V。

从上面的仿真数据可以看出，滤波电容的容量越大，则输出电压的纹波越小（越平滑），这自然是一件相对更美好的事情，这里我们不禁有两个问题要确定一下：

1、滤波电容的容量是不是越大越好呢？

2、滤波电容的容量多少才是最合适的呢？

我们在前述文章《旁路电容与去耦电容》中详细讨论过两者的区别与联系，并且顺便也提到过：滤波电容本质就是旁路电容，因此，我们自然会想到使用旁路电容的选择依据来选择滤波电容，可以吗？当然！

旁路电容的最大容量限制主要是自谐振频率（具体参考前述文章，此外不再赘述），我们只需要通过公式计算一下实际电容的自谐振频率，就可以确定该容量的滤波电容能否应用在对应威廉希尔官方网站 中（下图来自VISHAY铝电解电容038 RSU数据手册）

我们就选择这个系列的最大容量 22000uF（22mF），同时从数据手册中查到对应的串联等效电感ESL，如下图所示：

43F（法拉），My God！很少有应用威廉希尔官方网站 会使用这么大的电容（恕在下孤陋寡闻，我还没见过这么大的电容，应该可以抱着睡觉吧JJ），因此，单纯从自谐振频率来讲，这并不是限制滤波电容容量极大值的理由。这就如同你天天担惊受怕：如果我长得比天还高怎么办！不用担心，先把你们家门框给挤掉再说。

但是开关电源就不一样了，我们看看开关电源的BUCK变换器，如下图所示：

其中，输出储能电容C1也算是滤波电容。开关电源的开关切换频率有几百KHz甚至几MHz，从单纯的自谐振频率来看，上述1000 uF滤波电容不能够使用的，而且这样的考虑也是完全正确合理的。

但是如果存在一个理想的超级大容量滤波电容，其ESL为0，那我们是不是仍然可以使用呢？从开关电源的原理来讲，好像是可以的！然而，滤波电容的容量过大并不是一件看似美好的事情。

首先，毫无疑问，容量越大则成本越高，但更重要的是，滤波容量大到一定程度，电容容量所带来的好处会越少。

如前述桥式整流滤波的仿真效果，滤波电容的容量从10uF到100uF，纹波电压改善是64V-22V=42V，从100uF到1000uF的纹波改善值为22V-4.24V=19.6V，而从1000uF到4700uF的纹波改善值就只有4.24-1.35=2.89V了，如下图所示：

很明显可以看到，滤波电容的容量越大，相应的纹波电压是下降了，但是滤波电容越大，则能够获得的好处就更少了，从经济学的角度看，就是边际效益越小（性价比低），不值得这么做；

其二，滤波容量过大的必要性。如果一件事情没有执行的必要，那我们就没有必要去执行，这看来是句废话，然而这也是威廉希尔官方网站 设计中遵循的适用性法则（够用就好）。

当输入脉动直流电压的纹波电压经滤波电容（威廉希尔官方网站 ）后被控制在允许的范围之内，尽管此时输出的直流电压还有些波动（不是十分稳定），但我们认为滤波电容的历史使命已经圆满完成，滤波威廉希尔官方网站 后面还会有稳压威廉希尔官方网站 进行更为精确地稳压，如下图所示：

威廉希尔官方网站 系统中的每一个部分都有其主要职责，我们没有必要花费更多的精力让滤波威廉希尔官方网站 去执行它并不擅长的任务，这与每个人都应当做其最擅长的事情也是一样的道理，文章最开始我们就已经讲述了滤波电容存在的目的：降低交流脉动电压（纹波系数），而不是用来输出稳定的电压；

其三，滤波电容过大的可行性。滤波电容的容量过大，则充电电流（纹波电流）也会越大，过大的纹波电流对威廉希尔官方网站 系统是一个致命的伤害。

如果说上面两点不成为你使用更大容量的滤波电容的理由（比如，你说你有钱任性，我就想做最好的产品感恩社会，报效祖国，花多点钱不在乎），但在纹波电流的限制下，你想使用容量过大的电容都不行（滤波电容会说：你要做好产品我不管，但你要把我弄得太大，搞不好把威廉希尔官方网站 损坏了，这锅我不背）。

大多数读者可能对纹波电压都有所了解，但其实相应的也还有纹波电流（Ripplecurrent），它的定义是：在最高工作温度条件下，电容器最大所能承受的交流纹波电流的RMS值（有效值），并且指定的纹波为频率范围（100Hz～120Hz）的正弦波。

纹波电流在电压上的表现就是脉动电压（纹波），电容器所能承受的最大允许纹波电流受温度、损耗角度及交流频率等参数的限制，在数据手册中通常用 IR来表示，如下图所示的纹波电流：

该系列电解电容的纹波电流如下图所示：

上图是耐压值为25V的滤波电容的部分数据，相同工艺及容量下，耐压越高则相应的纹波允许电流也越高，那滤波电容的容量过大为什么又会产生更大的纹波电流呢？

对于同样的桥式整流滤波威廉希尔官方网站 ，当滤波电容的容量过大时，其相关波形如下图所示：

在威廉希尔官方网站 系统刚刚上电时，滤波电容两端的电压为零，此时输入脉动电压ui会逐渐升高，并同时对滤波电容进行充电，如果滤波电容的容量过大，则电容充电的速度会比较慢（电压上升慢），当输入脉动电压ui达到峰值时，此时的输入峰值电压与滤波电容两端的电压差最高的，并且两者之间没有任何阻抗，如下图所示：

高压低阻状态就会引起瞬间大电流，滤波电容的容量越大，则瞬间的充电（纹波）电流也越大，此时威廉希尔官方网站 的状态就等效于下图所示：

这种瞬间电流（也称变浪涌电流）很可能超出滤波电容的最大纹波电流，从而将损坏滤波电容，如果由此引起滤波电容短路故障，则其它相关元器件（如整流二极管、保险丝、开关管）也可能在一瞬间报销。

当然，很多情况下电源滤波电容必须要很大，因此就必须添加相应的保护威廉希尔官方网站 ，比如，我们可以串一个限流电阻在威廉希尔官方网站 中，再额外使用继电器进行开关控制，如下图所示：

当电源刚刚上电时，继电器开关断开，此时限流电阻R1串联在威廉希尔官方网站 中，以防止出现过大的纹波电流，而当滤波电容已经进入正常工作状态后，我们将继电器开关闭合，将限流电阻R1短接，这样可以避免限流电阻R1消耗不必要的电能。

编辑：黄飞