濾波電容（filter capacitor）通常并聯(lián)在直流脈動(dòng)電源兩端，以達(dá)到降低交流脈動(dòng)電壓（紋波系數(shù)），繼而提升直流輸出平滑度的應(yīng)用電容。

電容器作為濾波目的而應(yīng)用在電路中，可能是大多數(shù)讀者開(kāi)始學(xué)習(xí)電容概念時(shí)最先接觸到的，最常見(jiàn)、最簡(jiǎn)單的單個(gè)電容濾波電路如下圖所示：

其相關(guān)的輸入輸出波形如下圖所示：

電容濾波電路原理非常簡(jiǎn)單：當(dāng)輸入脈動(dòng)電壓ui高于濾波電容兩端電壓時(shí)就對(duì)電容充電，而當(dāng)輸入脈動(dòng)電壓ui低于濾波電容兩端電壓時(shí)，濾波電容開(kāi)始放電承擔(dān)對(duì)負(fù)載提供電量的責(zé)任，補(bǔ)償了輸入脈動(dòng)電壓ui的下降趨勢(shì)，從而達(dá)到降低脈動(dòng)電壓的脈動(dòng)程度（紋波系數(shù)）。我們也曾經(jīng)被教育過(guò)：濾波電容越大，則濾波后的輸出電壓紋波越小。

濾波電容并聯(lián)在整流電路之后是最為常見(jiàn)的應(yīng)用，我們用下圖所示的橋式整流濾波電路來(lái)仿真一下濾波電容的大容量帶來(lái)的好處：

這里我們?cè)谌珮蛘麟娐泛蟛⒙?lián)一個(gè)容量較小的濾波電容C1（10uF），其相關(guān)輸入輸出波形如下圖所示：

我們測(cè)量一下輸出電壓的脈動(dòng)大小（紋波電壓），大概是64V左右。結(jié)果確實(shí)是慘了點(diǎn)，我們?cè)贀Q個(gè)大點(diǎn)的濾波電容（100uF）重新仿真一下，其相關(guān)波形如下圖所示：

紋波電壓約為20V，咱們?cè)俳釉賲栠x個(gè)更大點(diǎn)的濾波電容（1000uF），其波形如下圖所示：

其紋波電壓約為4.24V。當(dāng)濾波電容為4700uF時(shí)，其波形如下圖所示：

看起來(lái)跟濾波電容為1000uF時(shí)的波形沒(méi)有多大區(qū)別，實(shí)際測(cè)試輸出紋波電壓約為1.35V。

從上面的仿真數(shù)據(jù)可以看出，濾波電容的容量越大，則輸出電壓的紋波越小（越平滑），這自然是一件相對(duì)更美好的事情，這里我們不禁有兩個(gè)問(wèn)題要確定一下：

1、濾波電容的容量是不是越大越好呢？

2、濾波電容的容量多少才是最合適的呢？

我們?cè)谇笆鑫恼隆杜月冯娙菖c去耦電容》中詳細(xì)討論過(guò)兩者的區(qū)別與聯(lián)系，并且順便也提到過(guò)：濾波電容本質(zhì)就是旁路電容，因此，我們自然會(huì)想到使用旁路電容的選擇依據(jù)來(lái)選擇濾波電容，可以嗎？當(dāng)然！

旁路電容的最大容量限制主要是自諧振頻率（具體參考前述文章，此外不再贅述），我們只需要通過(guò)公式計(jì)算一下實(shí)際電容的自諧振頻率，就可以確定該容量的濾波電容能否應(yīng)用在對(duì)應(yīng)電路中（下圖來(lái)自VISHAY鋁電解電容038 RSU數(shù)據(jù)手冊(cè)）

我們就選擇這個(gè)系列的最大容量 22000uF（22mF），同時(shí)從數(shù)據(jù)手冊(cè)中查到對(duì)應(yīng)的串聯(lián)等效電感ESL，如下圖所示：

43F（法拉），My God！很少有應(yīng)用電路會(huì)使用這么大的電容（恕在下孤陋寡聞，我還沒(méi)見(jiàn)過(guò)這么大的電容，應(yīng)該可以抱著睡覺(jué)吧JJ），因此，單純從自諧振頻率來(lái)講，這并不是限制濾波電容容量極大值的理由。這就如同你天天擔(dān)驚受怕：如果我長(zhǎng)得比天還高怎么辦！不用擔(dān)心，先把你們家門框給擠掉再說(shuō)。

但是開(kāi)關(guān)電源就不一樣了，我們看看開(kāi)關(guān)電源的BUCK變換器，如下圖所示：

其中，輸出儲(chǔ)能電容C1也算是濾波電容。開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)切換頻率有幾百KHz甚至幾MHz，從單純的自諧振頻率來(lái)看，上述1000 uF濾波電容不能夠使用的，而且這樣的考慮也是完全正確合理的。

但是如果存在一個(gè)理想的超級(jí)大容量濾波電容，其ESL為0，那我們是不是仍然可以使用呢？從開(kāi)關(guān)電源的原理來(lái)講，好像是可以的！然而，濾波電容的容量過(guò)大并不是一件看似美好的事情。

首先，毫無(wú)疑問(wèn)，容量越大則成本越高，但更重要的是，濾波容量大到一定程度，電容容量所帶來(lái)的好處會(huì)越少。

如前述橋式整流濾波的仿真效果，濾波電容的容量從10uF到100uF，紋波電壓改善是64V-22V=42V，從100uF到1000uF的紋波改善值為22V-4.24V=19.6V，而從1000uF到4700uF的紋波改善值就只有4.24-1.35=2.89V了，如下圖所示：

很明顯可以看到，濾波電容的容量越大，相應(yīng)的紋波電壓是下降了，但是濾波電容越大，則能夠獲得的好處就更少了，從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度看，就是邊際效益越小（性價(jià)比低），不值得這么做；

其二，濾波容量過(guò)大的必要性。如果一件事情沒(méi)有執(zhí)行的必要，那我們就沒(méi)有必要去執(zhí)行，這看來(lái)是句廢話，然而這也是電路設(shè)計(jì)中遵循的適用性法則（夠用就好）。

當(dāng)輸入脈動(dòng)直流電壓的紋波電壓經(jīng)濾波電容（電路）后被控制在允許的范圍之內(nèi)，盡管此時(shí)輸出的直流電壓還有些波動(dòng)（不是十分穩(wěn)定），但我們認(rèn)為濾波電容的歷史使命已經(jīng)圓滿完成，濾波電路后面還會(huì)有穩(wěn)壓電路進(jìn)行更為精確地穩(wěn)壓，如下圖所示：

電路系統(tǒng)中的每一個(gè)部分都有其主要職責(zé)，我們沒(méi)有必要花費(fèi)更多的精力讓濾波電路去執(zhí)行它并不擅長(zhǎng)的任務(wù)，這與每個(gè)人都應(yīng)當(dāng)做其最擅長(zhǎng)的事情也是一樣的道理，文章最開(kāi)始我們就已經(jīng)講述了濾波電容存在的目的：降低交流脈動(dòng)電壓（紋波系數(shù)），而不是用來(lái)輸出穩(wěn)定的電壓；

其三，濾波電容過(guò)大的可行性。濾波電容的容量過(guò)大，則充電電流（紋波電流）也會(huì)越大，過(guò)大的紋波電流對(duì)電路系統(tǒng)是一個(gè)致命的傷害。

如果說(shuō)上面兩點(diǎn)不成為你使用更大容量的濾波電容的理由（比如，你說(shuō)你有錢任性，我就想做最好的產(chǎn)品感恩社會(huì)，報(bào)效祖國(guó)，花多點(diǎn)錢不在乎），但在紋波電流的限制下，你想使用容量過(guò)大的電容都不行（濾波電容會(huì)說(shuō)：你要做好產(chǎn)品我不管，但你要把我弄得太大，搞不好把電路損壞了，這鍋我不背）。

大多數(shù)讀者可能對(duì)紋波電壓都有所了解，但其實(shí)相應(yīng)的也還有紋波電流（Ripplecurrent），它的定義是：在最高工作溫度條件下，電容器最大所能承受的交流紋波電流的RMS值（有效值），并且指定的紋波為頻率范圍（100Hz～120Hz）的正弦波。

紋波電流在電壓上的表現(xiàn)就是脈動(dòng)電壓（紋波），電容器所能承受的最大允許紋波電流受溫度、損耗角度及交流頻率等參數(shù)的限制，在數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常用 IR來(lái)表示，如下圖所示的紋波電流：

該系列電解電容的紋波電流如下圖所示：

上圖是耐壓值為25V的濾波電容的部分?jǐn)?shù)據(jù)，相同工藝及容量下，耐壓越高則相應(yīng)的紋波允許電流也越高，那濾波電容的容量過(guò)大為什么又會(huì)產(chǎn)生更大的紋波電流呢？

對(duì)于同樣的橋式整流濾波電路，當(dāng)濾波電容的容量過(guò)大時(shí)，其相關(guān)波形如下圖所示：

在電路系統(tǒng)剛剛上電時(shí)，濾波電容兩端的電壓為零，此時(shí)輸入脈動(dòng)電壓ui會(huì)逐漸升高，并同時(shí)對(duì)濾波電容進(jìn)行充電，如果濾波電容的容量過(guò)大，則電容充電的速度會(huì)比較慢（電壓上升慢），當(dāng)輸入脈動(dòng)電壓ui達(dá)到峰值時(shí)，此時(shí)的輸入峰值電壓與濾波電容兩端的電壓差最高的，并且兩者之間沒(méi)有任何阻抗，如下圖所示：

高壓低阻狀態(tài)就會(huì)引起瞬間大電流，濾波電容的容量越大，則瞬間的充電（紋波）電流也越大，此時(shí)電路的狀態(tài)就等效于下圖所示：

這種瞬間電流（也稱變浪涌電流）很可能超出濾波電容的最大紋波電流，從而將損壞濾波電容，如果由此引起濾波電容短路故障，則其它相關(guān)元器件（如整流二極管、保險(xiǎn)絲、開(kāi)關(guān)管）也可能在一瞬間報(bào)銷。

當(dāng)然，很多情況下電源濾波電容必須要很大，因此就必須添加相應(yīng)的保護(hù)電路，比如，我們可以串一個(gè)限流電阻在電路中，再額外使用繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，如下圖所示：

當(dāng)電源剛剛上電時(shí)，繼電器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，此時(shí)限流電阻R1串聯(lián)在電路中，以防止出現(xiàn)過(guò)大的紋波電流，而當(dāng)濾波電容已經(jīng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，我們將繼電器開(kāi)關(guān)閉合，將限流電阻R1短接，這樣可以避免限流電阻R1消耗不必要的電能。

編輯：黃飛

?