解析电源设计1-储能元件-电容

转自：http://i-makers.info/blog/167.html化学电池是众所周知的储藏电能的元件，然而，在电路设计中广泛使用的其储能性来满足各种功能的元件是电容和电感。

电容

电容顾名思义是存放电荷的容器，最常见的理论模型是平板电容，在两个极板之间充满介电物质来设计这样的电容。理想电容器是一种隔直流通交流的元件。图1 平板电容电容的计算单位是F（法拉），以单位电压能容纳多少电荷为衡量，决定电容的并不是外部电压，而是极板的距离，面积和介电材料本身的性质。电容作为一种广泛使用的元件，其工艺和用料不仅决定了它的容量，还影响着其频率特性，漏电电流，温度特性和稳定性，从而决定了它在不同的电路中扮演怎样的角 {MOD}。从电脑显卡造成的花屏现象到收音机里吱吱叫的噪声都很可能是受到电容的影响，在【1】中有更详细的电容类型及其发展的探讨。电容器在电源设计中关键的作用莫过于滤波，一般我们将电容器类比为一个水库，通过调节流量，保持下游的电路稳定。如图2，在滤波电路中，输入的交流电持续给电容充电，电容在交流的高电压时充电，低电压时放电来回补输出端，以形成直流输出。图2 电容滤波电路电容的阻抗公式是：z =1/2πfC，阻抗跟频率成反比，因此，我们可以看到，当电容固定时，频率越高，阻抗越小。在滤波电路中，滤波电容和输出端并联，直流分没有影响的输出到负载，而频率越高的分量越容易被电容回路传回输入端。从阻抗公式，我们还可以看到一个经验说法的悖论，按设计经验，“小电容滤高频，大电容滤低频”，然而从理论分析，阻抗和电容值也成反比，因此，对于高频信号而言，如果面对并联小电容的负载，阻抗值变大，将更多的被输出，而反过来，要输出低频就要抑制。为什么经验和理论向左呢？要解决这个问题就不得不面对现实，作为电子元件，电容器的结构和材料也会产生寄生电感，具有其自身的自谐振频率（Self Resonant Frequency，srf），其等效公式ω=1/(LC)1/2当输入电源的频率成分在srf以下，电容器呈容性，而对于高于srf的频率成分，电容器呈感性，这将意味着大于srf工作时，图2不再成立。自谐振频率与电容的容值成反比，那么越大的电容器，自谐振频率就越小，对于高频分量而言，这样的大电容器被视为感性元件，而不起作用，仅对低于sfr的低频交流成分起到滤除作用。因此，就造成了实际上“小电容滤高频，大电容滤低频”的说法。一般应用上，会采用大小电容并联的方式，大小电容一般相差两个数量级，这样才能更好的达成电源滤波目的。图3 大小电容并联滤波 图4 不同容量的电容器图4是不同容量的电容器，其中三个圆柱形的是电解电容，容量达到数µf，最大的是2200µf,电解电容有极性，需要注意接入正确的电位点，黄 {MOD}的是0.1µf的独石电容，可以用以并联达成滤波电路。图5 实际电容等效图除了寄生电感，电容器的等效串联电阻（esr，equivalent series resistance ）也是选择电容产品的时候经常被考虑到的因素，图5中，我们可以看到把电容器等效成寄生电感，esr和理想电容的示图，esr的存在会减弱电容充放电效率，产生热量会造成电容寿命下降和引入电路噪声，对于电解电容而言，esr还会随着使用过程中电解液的变化而变化，从而造成稳定性下降。高srf低esr是选用好电容的理想条件，此外，电容器的选择要根据设计目的结合使用经验，多做调试实验，以便设计出稳定的电子设备。
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