在电路设计过程中，电源往往是容易被忽略的环节。然而，作为的设计，电源设计至关重要，它在很大程度上影响着整个系统的性能和成本。而电源设计中电容的使用，更是容易被忽视的关键部分。

一、电源设计中电容的工作原理

在电源设计应用里，电容主要用于滤波（filter）和退耦 / 旁路（decoupling/bypass）。滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的重要措施。它起源于通信理论，是从含有干扰的接收信号中提取有用信号的技术。滤波主要是滤除外来噪声，而退耦 / 旁路则是减小局部电路对外的噪声干扰，很多人容易将二者混淆。

以一个电路结构为例，图中电源为 A 和 B 供电。电流经 C1 后再经过一段 PCB 走线分开两路分别供给 A 和 B。当 A 在某一瞬间需要很大电流时，若没有 C2 和 C3，会因线路电感导致 A 端电压变低，B 端电压也受影响降低，局部电路 A 的电流变化就会对 B 电路的信号产生影响，反之亦然，这就是 “共路耦合干扰”。增加 C2 后，局部电路需要瞬间大电流时，电容 C2 可为 A 暂时提供电流，A 端电压不会下降太多，对 B 的影响也会减小，通过电流旁路起到了退耦作用。

一般滤波主要使用大容量电容，对速度要求不高，但对电容值要求较大。若局部电路 A 是一个芯片，电容应尽可能靠近芯片的电源引脚；若 “局部电路 A” 是一个功能模块，可使用电容，容量不够时也可使用钽电容或铝（前提是功能模块中各芯片都有退耦电容 — ）。滤波电容的容量通常可从电源芯片的数据手册里找到计算公式。如果滤波电路同时使用电解电容、钽电容和瓷片电容，应把电解电容放的离开关电源近，以保护钽电容，瓷片电容放在钽电容后面，这样能获得的滤波效果。

退耦电容需要满足容量和 ESR 两个需求。例如，一个 0.1uF 的电容退耦效果也许不如两个 0.01uF 电容。而且，0.01uF 电容在较高频段有更低的阻抗，在这些频段内若能满足容量需求，它将比 0.1uF 电容拥有更好的退耦效果。很多管脚较多的高速芯片设计指导手册会给出电源设计对退耦电容的要求，如一款 500 多脚的 BGA 封装要求 3.3V 电源至少有 30 个瓷片电容，还要有几个大电容，总容量要 200uF 以上。

二、各类电源中电容器的正确选用

电容器作为基本元件在路中起着重要作用。在传统应用中，电容器主要用作旁路耦合、电源滤波、隔直以及小信号中的振荡、延时等。随着电子线路，特别是电力电子电路的发展，对不同应用场合的电容器提出了不同的特殊要求。

从电容器的结构来看，简单的电容器由两端的极板和中间的绝缘电介质（包括空气）构成。通电后，极板带电形成电压，但由于中间的绝缘物质，整个电容器在未超过临界电压（击穿电压）时是不导电的。当物质两端电压加大到一定程度，物质可导电，这个电压就是击穿电压。电容被击穿后就不再是绝缘体。在中学阶段，电路中的电压一般在击穿电压以下，可将电容当做绝缘体。但在交流电路中，电流方向随时间变化，电容器充放电有时间过程，极板间会形成变化的电场，该电场也是随时间变化的函数。

1. 滤波电容器：交流电（工频或高频）经整流后需用电容器滤波使输出电压平滑，一般多采用铝电解电容器。铝电解电容器应用时主要问题是温度与寿命关系，基本遵循 50℃法则。在很多要求高温和高可靠性场合，应选用长寿命（如 5000h 以上，甚至 105℃，5000h）电解电容器。一般体积小的电解电容器，其寿命相对较短。
   用于 DC/DC 开关稳压电源输入滤波电容器，因开关变换器以脉冲形式向电源汲取电能，滤波电容器中会流过较大的高频电流。当电解电容器等效串联电阻（ESR）较大时，会产生较大损耗，导致电解电容器发热。而低 ESR 电解电容器则可明显减小纹波（特别是高频纹波）电流产生的发热。用于开关稳压电源输出整流的电解电容器，要求其阻抗频率特性在 300kHz 甚至 500kHz 时仍不呈现上升趋势。普通电解电容器在 100kHz 后就开始呈现上升趋势，用于开关电源输出整流滤波效果相对较差。

在开关电源中，输出滤波电解电容器的锯齿波电压频率高达数万赫兹，甚至数十兆赫兹。此时电容量不是主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是 “阻抗 - 频率” 特性，要求在开关电源的工作频率内有较低的等效阻抗，同时对半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。普通低频铝电解电容器在万赫兹左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，能为减小输出电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声提供有利手段。此外，高频铝电解电容器还有多芯形式，可减小容抗中的电阻成份，增强承受大电流的能力。叠片电容也称为无感电容，具有优良的高频特性，一般做成方形，便于固定，还可减小占机体积。

2. 吸收与换相电容器：随着栅控半导体器件的额定功率增大、开关速度加快、额定电压升高，对缓冲电路的电容器要求也更高。在大功率电力电子电路中，IGBT 的开关速度小于 1μs，要求吸收电路电容器上的电压变化速率 dv/dt》 V/μs 很常见。普通电容器，特别是普通金属化电容器的 dv/dt《100V/μs，特殊金属化电容器的 dv/dt≤200V/μs，专用双金属化电容器小容量（小于 10nF）的 dv/dt≤1500V/μs，较大容量（小于 0.1μF）的则为 600V/μs，难以承受巨大且重复率高的峰值电流冲击。目前吸收电路专用电容器，即金属箔电极可承受较大的峰值电流和有效值电流冲击。由此可见，无感电容、金属化和金属箔电容应用在吸收电路中有不同表现，外形相近但规格不同不能互换。电容器的尺寸会影响其 dv/dt 及峰值电流的耐量，一般长度越大 dv/dt 和峰值电流相对越小。吸收电路中电容器的工作特点是高峰值电流占空比小，有效值电流不十分高，与晶闸管逆变器的换相电容器类似，但换相电容器要求的 dv/dt 较小，峰值电流与有效值电流均较大，普通电容器在电流方面不能满足要求。在某些特殊应用中，需将吸收电容并联使用以保证长期使用的可靠性。

3. 谐振电容器：谐振式变换器，如谐振式开关稳压电源及晶闸管中频电源谐振回路中的谐振电容器，工作时往往流过很大电流。电子镇流器的谐振电容规格选择不当时，会出现电容上电压未达击穿电压，但因流过较大谐振电流而损坏的现象。在含有电容和电感的电路中，电容和电感并联时，可能出现电容电压和电流、电感电压和电流随时间变化的振荡现象。当振荡持续维持时，称为等幅振荡，也称为谐振。谐振时间电容或电感两端电压变化一个周期的时间称为谐振周期，谐振周期的倒数称为谐振频率。

三、电容降压式电源设计实例

将交流市电转为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波，当受体积和成本等因素限制时，简单实用的方法就是采用电容降压式电源。

1. 电容降压式电源电路原理：电容降压式简易电源的基本电路中，C1 为降压电容器，D2 为半波整流二极管，D1 在市电的负半周时给 C1 提供放电回路，D3 是稳压二极管，R1 为关断电源后 C1 的电荷泄放电阻。实际应用中常采用改进后的电路。当需要向负载提供较大电流时，可采用桥式整流电路。但整流后未经稳压的直流电压一般会高于 30 伏，且会随负载电流的变化发生很大波动，因此不适合大电流供电的应用场合。
2. 阻容降压电路的器件选择原则：
   • 电路设计时，应先测定负载电流的准确值，然后参考示例来选择降压电容器的容量。多余的电流会流过稳压管，若稳压管的允许电流 Idmax 小于 Ic - Io 时易造成稳压管烧毁。
   • 为保证 C1 可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。
   • 泄放电阻 R1 的选择必须保证在要求的时间内泄放掉 C1 上的电荷。
3. 设计举例：已知 C1 为 0.33μF，交流输入为 220V/50Hz，可计算出 C1 在电路中的容抗 Xc，进而求出流过电容器 C1 的充电电流 Ic。通常降压电容 C1 的容量 C 与负载电流 Io 的关系可近似认为：C = 14.5I，其中 C 的容量单位是 μF，Io 的单位是 A。

综上所述，在现代电源技术中，不同应用场合需要不同性能的电容器，不能混用、滥用、错用，以尽可能消除不应出现的损坏，并保证产品性能。