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电路中，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电路如下图所示：

其相关的输入输出波形如下图所示：

电容滤波电路原理非常简单：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电路之后是最为常见的应用，我们用下图所示的桥式整流滤波电路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电路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电路中（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！很少有应用电路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，然而这也是电路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（电路）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，滤波电路后面还会有稳压电路进行更为精确地稳压，如下图所示：

电路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电路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，过大的纹波电流对电路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，搞不好把电路损坏了，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电路，当滤波电容的容量过大时，其相关波形如下图所示：

在电路系统刚刚上电时，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，此时电路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电路，比如，我们可以串一个限流电阻在电路中，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串联在电路中，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