开关电源输出滤波电容的选择方法

品慧电子讯很多人都认为开关电源的输出滤波电容越大越好，其实这种观点是不全面的，影响开关电源直流电压输出品质的最重要参数其实是电容的ESR值。以下将介绍正确的开关电源输出滤波电容的选择方法。

电容的ESR是指电容的等效串联电阻或阻抗。

理想的电容器是没有电阻的。但是实际上，任何电容都有电阻，这个电阻值和电容的组成材料、结构有关系。在开关电源技术大规模应用之前，普遍采用线性电源，电源电路都工作在低频直流状态，通过滤波整流电路把交流转换成直流。在低频直流电源中，电容的容量对滤波效果起决定作用，电容的串联阻抗作用可以忽略。但是低频电源效率低，体积大的缺点非常明显。

由于电子技术的进步，近二十年来逐渐发展了脉宽调制的高频开关电源技术，大大地提高了电源的转换效率，也减小了电源的体积。开关电源的工作频率越高，电源的体积就越小。开关电源的工作频率从几十KHz到几MHz不等。在开关电源中，电容的ESR直接影响到电容的效果，它比电容器的容量还重要，事实上我们所说的电容器的容量一般都是在120Hz下测量的值，当工作频率提高时，电容容量会急剧降低，甚至根本不能起到电容的作用。一般而言，应该选择ESR相对较小的电容。 在不同类型的电容中，以电解电容的ESR通常最大，钽电容次之，陶瓷电容最佳。当然，即使是电解电容中，也分普通电解电容和低ESR的电解电容。用在开关电源输出滤波的应该采用低ESR的电解电容。在维修中，如果用普通电解电容替换低ESR的电解电容，开关电源可能短时间能工作，但是寿命肯定不长。弄不好，电容很快因为损耗太大而爆裂甚至爆炸，所以更换电容应该小心。同样容量同样耐压的电解电容，体积大的往往ESR小。同样容量不同耐压的电解电容，耐压高度往往ESR小。同样耐压同样容量的电容，105度比85度的ESR要小。当然，这也不是绝对的，对于同一厂家同一系列的电解电容，基本上成立。

理想的的电容器，本身不会产生任何能量损失，在实际应用中，由于生产电容的材料有电阻率，电容的绝缘介质有损耗，这个损耗可以等效为一个电阻跟电容串联在一起，称为电容的等效串联电阻，英文简称ESR，是Equivalent Series Resistance的缩写。

一般认为电容两端的电压不能突变，当突然对电容施加一个电流，电容因为自身充电，电压会从零开始上升。但是有了ESR的附加影响，等效串联电阻自身会产生电压降，这就导致电容器两端的电压会产生突变。很多情况下，这会导致电容的滤波效果变差，所以很多高质量的开关电源，对输出端的滤波电容要求很高，要求选用低ESR的电容器。

在振荡电路中，ESR也会引起电路功能上失调，造成电路失效甚至损坏等严重后果。所以在多数场合，低ESR的电容，往往比高ESR的有更好的表现。

不过也有例外，有些时候ESR也不是一无是处。在稳压电路中，有一定ESR的电容，在负载发生瞬变的时候，会立即产生波动而引发反馈电路动作，这类快速的响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价，获取了后续的快速调整能力，尤其是功率管的响应速度比较慢，并且电容器的体积和容量受到严格限制的时候。这种情形可见于一些使用mos功率管做调整管的三端稳压或者类似的电路中。这种应用场合，太低的ESR反而会降低整体性能。

实际上，需要更低ESR的场合更多，而低ESR的大容量电容价格相对昂贵，所以很多开关电源多采取并联的方法，用多个ESR相对高的铝电解或固态电容并联，组合成一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB电路板空间，换来器件成本的减少。

和ESR类似的另外一个概念是ESL，也就是等效串联电感。早期的卷制电容经常有很高的ESL，而且容量越大的电容，ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分，并且ESL也会引发一些电路故障，比如串联谐振等。但是相对容量来说，ESL的比例太小，出现问题的几率很小，再加上电容制作工艺的进步，现在已经逐渐忽略ESL，而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。

电容器还存在一个和电感类似的品质系数Q，这个系数反比于ESR，并且和频率相关，也比较少使用。

由ESR引发的电路故障通常很难检测，而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。简单的做法是，在仿真的时候，如果无法选择电容的具体参数，可以尝试在电容上人为串联一个小电阻来模拟ESR的影响，通常的，钽电容的ESR通常都在100毫欧以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。

ESR值与纹波电压的关系可以用欧姆定律V=R（ESR）×I来表示。公式中的V就表示纹波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高。