0.前言

本章主要介紹電容相關知識以及其在電源電路中的應用與計算。
本文同時作為《【元器件】5.電容》章節。

文章目錄

• 0.前言
• 1.電容的基礎知識
• • 1.1電容是什么?
  • 1.2電容器的工作原理
  • 1.3電容器的容值
  • 1.4電容器容量單位
  • 1.5電容器的分類
  • 1.6電容器的頻率特性
• 2.電容的應用場景
• • 2.1開關電源中的電容器的主要應用場景
  • 2.2電容與儲能
  • 2.2電容與濾波
  • 2.3軟起動電容（時域應用）
  • 2.4相位補償（頻域應用）
• 3.電容的實例計算
• • 3.1參考方案說明
  • 3.2軟啟動電容計算
  • 3.3Buck電路的輸入電容計算
  • 3.4開關電源輸出電容的計算

1.電容的基礎知識

1.1電容是什么?

• 電容有兩個含義:
  一是電容量，指在給定電位差下的電荷儲藏量。這里的電容是一個物理量，指容納電荷的能力;
• 二是電容器，兩個相互靠近但不接觸的導體，構成了電容器。這里的電容是一種電子元器件，可以理解為存儲電荷的容器。
• 本課程所謂之“電容”乃指電子元器件，即電容器。

1.2電容器的工作原理

• 在兩個電極之間施加電壓，電荷在電場中受力而移動，而電極之間的介質阻礙了電荷的移動，導致電荷在此滯留。
• 換一個角度，“滯留”意味著“儲存”，意即電容器是存儲電荷的容器。
  

1.3電容器的容值

• 其中：
  ε是兩極之間的絕緣材料的介電常數
  S是電容極板的正對面積
  d為電容極板的距離
  k是靜電力常量
• 增大電容器的容量的途徑:
  使用更好的介質
  增大兩極的正對面積
  減少兩極的距離

1.4電容器容量單位

• 一個電容器存儲1庫侖電量，兩極之間的電勢差是1伏，那么定義電容器的電容值是1法拉(F),C=Q/U。
• 達到法拉級別的電容，被稱為超級電容，它對標的是電池。因此，法拉是一個較大的單位，而在日常電子電路設計中常用的電容單位是微法(uF)、納法(nF)和皮法(pF)
• 它們與法拉(F)的對應關系如下:
  微法(1uF=10^-6F)
  納法(1nF=10^-9F)
  皮法(1pF=10^-12F)

1.5電容器的分類

• 電容器的種類繁多，分類方式各異。從實用的角度來分類，可以簡單分為:有極性電容和無極性電容。
• 這是很重要的兩個分類方式，有極性電容(譬如，鋁電解電容、鈕電容），在應用時務必注意，當正負極極性接反時會導致器件損壞，甚至產生嚴重后果，如鈕電容會因極性反接而產生明火。

鋁電解電容

• 內含儲存電荷的電解質材料，俗稱電解液
• 容量大、體積大、有極性
• 通常在電源電路或中頻、低頻電路中起電源濾波，退耦等作用

缺點:

• 電解液易蒸發，所以壽命受溫度影響大
• ESR(等效串聯電阻)較大

鉭電容

• 全稱鈕電解電容，電解電容的一種
• 無電解液，金屬鑰做介質，適合高溫下工作
• 容量密度高，較小體積獲得較大容量√壽命長和可靠性高

相對鋁電解電容:

• 容量較小
• 價格高
• 耐電壓及電流能力較弱

固態電容

• 采用固態導電高分子材料取代電解液
• 大大降低ESR
• 改善溫度及頻率特性

目前商品化的固態鋁電解電容主要有兩類

• 有機半導電解電容oS-CON)
• 物導體鋁電解電容PC-CON)

有機半導體鋁電解電容(OS-CON)

• 結構與液態鋁電解電容相似，多采用直插立式封裝方式。
• 使用固態的有機半導體浸膏替代電解液
• 提高各項電氣性能，有效解決電解液易蒸發、易泄漏、易燃等諸多問題

在外觀上，區別固態電容和電解電容:

• 鋁電解電容頂部是否有“K”或“十”以及“T”等字形的壓痕槽
• 壓痕槽是為了泄壓
• 固態電容無需壓痕槽
  

聚合物導體鋁電解電容(PC-CON)

• 結合了鋁電解電容和鈕電容的特點
• 采用高電導率的聚合物材料作為陰極
• 片式疊層鋁電解電容器
• 在額定電壓范圍內，無需降壓使用
• 極低的等效串聯電阻(ESR)
• 允許通過更大紋波電流
• 在高頻下，阻抗曲線呈現近似理想電容器特性
• 在頻率變化情況下，電容量非常穩定
• 僅少數幾家生產此類電容器(松下、紅寶石、基美、國光等)
  

多層陶瓷電容器(MLCC: Multi-Layer Ceramic Capacitor)

• 無極性
• 以陶瓷作為電介質
• 數百層不足1um的薄電介質基板精確地疊加在一起
• 涵蓋低容值的范圍
• 實現電子設備的小型化、高性能化，尤其不可或缺
• MLCC由于施加電壓、使用溫度變化，會使靜電容量減少
  
  MLCC的溫度特性
• 按照溫度特性、材質、生產工藝，MLCC分類:NPO、COG、Y5V、Z5U、X7R、X5R等。
• NPO、COG溫度特性平穩、容值小、價格高;
• Y5V、Z5U溫度特性大、容值大、價格低;
• X7R、X5R則介于以上兩種之間。
• NPO.X7R.X5F.X5P.X5R.XRS.X5T.Y5U.Y5V.Z5U.Z5V…
  
  MLCC的噪音
• 電介質受電壓作用發生變形(畸變)
• 施加可聽頻率(20 Hz~20 kHz)的電壓，產生振動，并且傳遞到基板，隨著振動增強從而產生噪音。
  
  MLCC的安裝方式
• 選擇PCB彎曲或繞曲時芯片承受壓力最小的位置進行安裝。

1.6電容器的頻率特性

• 電容器的電容值并非一成不變的，而是隨著輸入信號的頻率而發生變化的，甚至會發生特性的“翻轉”，即當信號的頻率超過諧振頻率之后，電容器將表現為感性。
• 通俗的理解，電容器具有“隔直通交”的特性，也就是說電容器是對直流信號是隔斷的，而對于一定頻率的信號卻是可“直通”過去的。
  
  
  
• 實際中多大小配合使用。

2.電容的應用場景

本文主要介紹開關電源中的應用場景，其他部分應用，可詳見《電容應用分析精粹-從電容放電到高速PCB設計》一書。

2.1開關電源中的電容器的主要應用場景

電容的主要作用:

• 儲能
• 濾波
  電容的輔助作用:
• 時域應用:軟啟動
• 頻域應用:相位補償

2.2電容與儲能

儲存電荷是電容器的最樸素、最原始的應用場景。

儲能的基本要求:

• 容量大
• 內耗小

應用場景:

• 電源模塊的輸入與輸出電容

電容選擇:

• 鋁電解電容
• 鈕電容√固態電容
• 聚合物電容
• 大容量的陶瓷電容

考量指標:

• 輸出電壓紋波
• 電容的ESR

2.2電容與濾波

工作原理:

• 電容單獨使用，或與電阻、電感配合使用
• 利用電容的頻率特性(阻抗隨頻率增加而下降)，阻斷直流而導走一定頻率的噪音信號（隔直通交)

應用場景:

• 電源模塊的輸入與輸出濾波器
• 去耦電容與旁路電容
• 信號濾波器（低通、高通、帶通等)√隔直電容

電容選擇:

• 扼流線圈+鋁電解電容
• 陶瓷電容

考量指標:

• 濾波器的截止頻率
• 電容的諧振頻率

2.3軟起動電容（時域應用）

• 為了保證輸出電壓溫度，輸出電容較大，但輸出電壓波動大會產生較大的浪涌電流，浪涌電流可能會出發限流保護，因此為了減小浪涌電流所以需要軟起動。
• 電容充電過程，電壓不能突變，是一個緩慢上升的過程，這個過程被用于開關電源的軟啟動過程。

2.4相位補償（頻域應用）

• 根據經典控制理論，負反饋回路要穩定，那么他的開環幅頻特性在穿越0dB點時，對應相位與180°相位偏移之間的差叫做相位裕量，此相位裕量需要大于45°；同時相位穿越180°對應上來的增益叫做增益裕量，此增益裕量要大于6dB，如此系統回路才能穩定。
• 但電源回路里用到了大電感和大輸出電容，導致它的相位損失比較嚴重，因此要做外部加一個相位補償的網絡，在幅頻穿越0dB附近，把相位以及增益都抬起來，使其產生足夠的裕量，這就是相位補償。
  
• 詳見自動控制理論頻域補償校正相關知識。

3.電容的實例計算

3.1參考方案說明

• 廠家: Allegro
• 拓撲:Buck
• 型號: A8580

關鍵參數:

• VIN=12V
• Vout=3.3
• Vlout=2.5A
• fsw=425KHZ

3.2軟啟動電容計算

3.3Buck電路的輸入電容計算

3.4開關電源輸出電容的計算

資料來源: 電源中的電容大小如何確定？

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【电源设计】08电源中电容大小的计算的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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