2.2 电容在电源电路中的应用

电容器最简单的结构可以理解为，由两个相互靠近的导体在形成的面积中间夹一层绝缘介质组成。当在电容器两个极板间加上电压时，电容器就会储存电荷，所以电容器是一个充放电荷的电子元件。在电路中，电容有通交流、阻直流和通高频、阻低频的特性。

从图2.5可以看到，在电源系统中，电容在开关电源电路中主要用于：输入电容；输出电容；自举电容；控制器自身的一些储能和稳压；开关控制器的配置；环路特性设计；去耦电容。

在电路设计过程中，电源设计往往是我们最容易忽略的环节。其实，一个优秀的系统，电源设计应当是很重要的，它很大程度影响了整个系统的性能和成本。电容在电源设计中的使用情况，又往往是电源设计中最容易被忽略的地方。虽然有很多人研究ARM、DSP、FPGA，但未必有能力为自己的系统提供一套低成本且可靠的电源方案。尤其当前进口芯片供应困难，价格高，我们需要运用一些国产芯片进行电源设计。下面就以JWH6346为例，说明电容器在开关电源设计中的运用。

1．输入电容

由于开关管Q1反复开关，通过它的电流如图2.6所示。这个电流除了需要从Vin提供，由于瞬间变化率非常大，还需要Cin参与提供瞬态电流。

2．输出电容

在开关电源中，输出电容的作用是控制电源纹波、保障电源的动态负载。

3．自举电容

当芯片内部高端MOSFET需要得到高出芯片的VCC电压时，需要通过自举电路升压得到比VCC高的电压，否则高端MOSFET无法驱动。

自举是指通过开关电源MOSFET管和电容组成的升压电路，通过电源对电容充电使其电压高于VCC。最简单的自举电路需要一个电容，为了防止升高后的电压回灌到原始的输入电压，通常会加一个二极管。自举的好处在于利用电容两端电压不能突变的特性来升高电压。举个例子来说，如果MOSFET管的漏极电压为12V，源极电压为0,GATE极驱动电压也为12V，那么在MOSFET管导通瞬间，源极电压会升高为漏极的电压减去一个很小的导通压降，那么VGS电压会接近于0,MOSFET在导通瞬间后又会关断，再导通，再关断，不停地导通关断。如此下去，长时间在MOSFET管的漏极与源极之间通过的是一个数倍于工作频率的高频脉冲，这样的脉冲尖峰在MOSFET管上会产生过大的电压应力，很快MOSFET管就会损坏。如果在MOSFET管的GATE与源极间接入一个小电容，在MOSFET管未导通时给电容充电，在MOSFET管导通及源极电压升高后，自动将GATE极电压升高，便可使MOSFET管保持继续导通。

4．控制器自身稳压电容

为了确保控制器稳定工作，控制器自身也需要一个稳定的电压，这时就需要电容来稳压。以图2.7所示的JWH6346控制器为例，控制器本身内部就是数字电路+模拟电路。为了在内部实现稳压源，需要外部接电容进行稳压，如图2.7所示的CVCC。

5．缓启动时间配置

有些电源控制器电路设计了软启动功能，通过软启动，来控制启动过程中的过冲，以及设置短路保护的恢复时间。每个控制器的具体设计不一样，但是基本原理都是利用电容充放电时间控制一个时延，并不是每个控制器都有缓启动时间配置，并且每个控制器的控制方法也不一样。

例如，JWH6346软启动时间可通过连接在SS引脚和AGND之间的电容器CSS进行调整。芯片启动时，有一个10µA的电流源给SS引脚的电容器充电。软启动时间tSS可通过以下等式计算：

其中，ISS= 10µA,VREF= 0.8V。

6．环路补偿电路

在电源设计中，环路补偿（Loop Compensation）是用于确保电源控制回路稳定且具有良好动态响应的技术。补偿器（Compensator）是实现环路补偿的电路或组件。它的主要作用是调节控制系统的频率响应，以保证系统的稳定性和性能，一般由运放（运算放大器）及周边电路实现。

功率级和补偿器固有的极点和零点分别由图2.8中的实线和虚线环表示。通常用于电压模式控制的补偿网络是具有三个极点和两个零点的III型电路，其零极点配置用于改善电源系统的开环频率响应特性。通常，两个零点用于抵消LC双极点，以提高系统稳定性；一个极点用于抵消输出电容器ESR（等效串联电阻）产生的零点，以改善系统稳定性；其余极点位于开关频率的一半附近，用于抑制高频噪声。FB是电源控制器的电源反馈管脚，用于获取输出电压值Vout,Vout通过两个电阻（RL和RH）进行分压，分压后得到一个电压送到FB这个管脚，通过电源控制器来控制占空比。因此，电阻分压网络连接到FB可以确定所需要的输出电压。

7．去耦电容

在高速电路中，尤其要注意元器件的去耦问题，主要是因为元器件会把一部分能量（噪声）耦合到电源、地系统之中。这些噪声会以共模或差模的形式传播到其他器件中，从而影响其他器件的正常工作。此时就需要用到去耦电容，在靠近高速器件的电源管脚放置一些电容，可以防止高速器件的噪声向外传播。由于去耦电容滤除的是高频噪声，所以一般选用陶瓷电容作为去耦电容。铝电解电容不适用于高频去耦，主要用于电源或电力系统的滤波。

去耦电容的选择并不局限于陶瓷电容，但陶瓷电容因其高频特性和良好的稳定性而常被选用。在选择陶瓷电容作为去耦电容时，需要确保电容的自谐振频率高于电路中最高频的时钟频率或信号频率。通常，可以选择一个自谐振频率在10MHz到30MHz之间的电容。

对于许多PCB电路，其内部信号的频率范围可能高达200MHz到400MHz。在这种情况下，当把PCB电路结构视为一个电容时，选择适当的去耦电容可以有效地增强对电磁干扰（EMI）的抑制能力。这些去耦电容应放置在关键电路节点附近，以便有效地滤除高频噪声，确保电路的稳定性和可靠性。