了解电容、电容和容性压降电源的区别

1. 前言

相信电容在大家工作中并不陌生，两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量的基本单位是法拉(F)。在电路图中通常用字母C表示电容元件。

电容器在调谐、旁路、耦合、滤波等电路中起着重要的作用。

对于我们工程师来说，了解电容器额定值与其实际电容之间的差异是确保设计可靠的关键。在考虑用于电表等设备的电容式降压电源中的高压电容器时尤其如此，因为损失过多的实际电容可能导致功率不足以支持应用，会产生很多不良结果。

对于电容式降压电源，高压电容器通常是电路中最大的（也是最昂贵的）组件之一。在确定电容器大小时，实际电容必须能够支持设计所需的负载电流。

2.电容器分析

图 1 显示了电容器制造商 Vishay 提供的现有电容器的电容值。

假设我们的设计计算表明我们的设计需要一个 1 µF 电容器（60 Hz 时为90 V AC_RMS，25 mA 时为5 V输出）。考虑到可用的电容器，我们可以选择 1.2-µF 的电容器以适应制造商 20% 的容差。但是，考虑到电容器的耐受性和老化效应，我们可能会发现电容器的实际电容随着时间的推移而减少 50%。换句话说，在最坏的情况下，我们选择的 1.2 µF 电容器在其使用寿命结束时可能只有 0.6 µF 的电容。 

图 1：制造商 Vishay 提供的高压电容器样品范围

等等，老化是个问题？如果该应用预计工作 10 年以上，那么假设薄膜电容器在产品的整个生命周期内可能会因工作温度、负载电流和湿度而损失约 25% 的电容并不是没有道理的。表 1 显示了在考虑最坏情况容差和老化后对总电容的预测。

表 1：容差和老化对实际电容的影响

考虑到容差的影响，在传统电容压降架构中支持 5V OUT 时25mA 负载的最佳选择是 2.2μF 电容器，它具有严重的尺寸影响。有没有更好的办法？

减轻由于老化引起的电容损耗影响的一种方法是简单地使用较低值的电容器。例如，如果我们使用降压转换器将经过 DC 整流的 20 V 电压降至 5 V，以完美的效率在 5 V 输出时保持 25 mA，但我们只需要调整高压电容支持 6.25 mA。

说明一下——在上面的例子中，如果线性电源解决方案需要 1 µF，电压降低四倍将导致负载电流能力增加四倍。在本例中，1 µF 减少到 0.25 µF。

查看相同的容差降额，我们将计算出需要 0.3 µF 的电容器，但下一个可用电容器的值为 0.33 µF。再加上老化效应，我们应该考虑的下一个可用电容器实际上是 0.47 µF。

在电表等应用中使用 DC/DC 降压转换器的唯一问题是，它们往往需要非常高的抗干扰能力。这意味着需要防止外部磁场影响设计的附加电路，如霍尔效应传感器或防篡改外壳，这将增加额外成本。

解决超大电容器问题并仍支持防篡改的一种方法是使用非磁性降压转换器。TI 的TPS7A78 稳压器无需变压器或电感器即可产生非隔离式低压输出。TPS7A78 将一个 2.2-µF 的电容器减少到 0.470 mF，从而在产品的整个生命周期内保证 25 mA 的负载电流。图 2 比较了两个电容器的面积和体积。

图 2：两个高压电容器的面积和体积比较

那么为什么较小的电容器很重要呢？显而易见的答案是整体解决方案的大小。但不太明显的好处是待机功率和效率。将所需的电容量减少四倍，将待机功耗从~300 mW 降低到~77 mW。在支持 25mA 负载的 TPS7A78 后面添加智能钳位电路可将总待机功率降低至约 15 mW。

在使用电容式降压电源时，知道如何最小化电容器以确保足够的电容可为制造商和消费者节省成本。