在电子元器件的世界里，电容器的特性因其材料及外壳的差异而各不相同。本文将深入探讨在实际应用于开关电源电路时，电容器的特性和性质会带来怎样的影响。

在开关电源电路中，输入电容器与输出电容器各自处理的电压和电流性质有所不同。为了便于理解，我们先从输入电容器开始讲解。在此之前，有必要简单说明一下流过输入电容器的电流，这是后续内容的重要前提。

下图是同步整流降压型转换器的电路示意图。从 VIN 端看，前方的 MOSFET 是高边开关。当接通高边开关时，其电流波形几乎垂直上升，流过与电感电流相同的电流；断开高边开关并接通低边开关时，电流迅速变为零。该电流波形的 AC 部分会流过输入电容器。

输入电容器电流所产生的电压（波形），会因电容器除 “静电电容” 之外存在的寄生成分 “ESR（等效串联电阻）” 及 “ESL（等效串联电感）” 的差异而有所不同。简而言之，除了静电电容，ESR 与 ESL 也会产生影响。

接下来，我们稍微深入地说明一下。可以用波形与公式来表示电容、ESR、ESL 这 3 个要素各自的影响。如下图所示，当电容器电流为矩形波时，各成分会产生不同的电压。ESR 所产生的电压，根据公式即电阻 × 电流的矩形波；电容成分是电流与时间的积分，呈现为三角波；ESL 成分可以用微分来表示，在开关的时间点会产生一瞬间的脉冲电压，也就是被称作 “尖峰” 等的高速脉冲性噪声。终，电容器两端的电压变动是这 3 种成分电压之和的合成波。

有人会问，3 种成分的合成波是评估过开关电源的人所熟悉的波形，是否可以简单认为它仅仅是各成分影响的叠加呢？基本上是这样，而这其实是很重要的一点。例如，矩形波成分越大，ESR 也越大；尖峰大时，ESL 较大。虽然理想情况下它们为零，但在实际评估时，观察输入电容器的电流与电压波形，就能知道哪里出了问题。

下面是一份试验电路的实际波形资料，我们通过它来看看钽电容器与叠层陶瓷电容器的不同。试验电路是给待评估电容器一个 5V/100kHz 的开关来监测电压与电流，电容器容值为 22μF 与 100μF。由于钽电容器与叠层陶瓷电容器的部件差异，ESR 差异很大，这也是叠层陶瓷电容器的优点之一。从 ESR 的比较图中可以看出，在 100kHz 时，尽管叠层陶瓷电容器的容值大约只有 1/5，但 ESR 值低了 2 位数。

先看 22μF 钽电容器的电压波形，红色箭头所指的几乎垂直的电压变化部分是 ESR 所产生的矩形波成分。由于 ESR 较大，它所产生的纹波电压相当大。当容值变为 100μF 时，ESR 所产生的电压变为一半以下，即 ESR 也变为一半以下。虽然能观察到 ESL 所产生的尖峰，但未超过整体的纹波电压，可以认为没有明显的 ESL 问题。

再看叠层陶瓷电容器的波形，波形是三角波，只能看到较小的尖峰。这是因为其 ESR 非常小，ESR 所产生的矩形波成分几乎没有；ESL 也比钽电容器和导电性高分子材料电容器小，尖峰也很小，主要看到的是电容成分所产生的三角波。当容值为 100μF 时，其三角波变得更小，纹波电压非常小。这表明，使用 ESR 与 ESL 较小的叠层陶瓷电容器可以使纹波电压和波尖明显变小。从波形图表还可以看出，100μF 的钽电容器与 22μF 的叠层陶瓷电容器的纹波电压大致相同。也就是说，如果要实现相同水平的输入纹波电压，使用叠层陶瓷电容器时，由于其容值较小，所需尺寸也更小。

另外，我们参考另一个使用电源 IC 的评估板来比较导电性高分子材料电容器与叠层陶瓷电容器的输入纹波。可以看到，导电性高分子材料电容器的容值为 82μF，叠层陶瓷电容器仅为其一半以下，且导电性高分子材料电容器的 ESL 所产生的尖峰较大。从尺寸上看，1 个导电性高分子电容器的空间可以容纳 2 个叠层陶瓷电容器，这充分体现了叠层陶瓷电容器小型且可减少容量的优势。

在设计电源并阅读电源 IC 的技术规格时，我们会发现几乎所有技术规格中都提到 “输入电容器选型时请注意额定纹波电流”。这与电容的种类和特性有什么关系呢？“注意额定纹波电流” 首先意味着要使用能够容许输入纹波电流额定值的电容器。因为输入电容器流过的纹波电流大于输出电容器，所以相比输出电容器，更需要注意额定纹波电流。额定纹波电流与自身发热相关，由于电容器的 ESR 是电阻成分，当纹波电流流过时会发热，ESR 越大，发热量也越大。同时，输入电容器的纹波电流较大，发热量也会相应增加，这一点需要充分考虑。

对于一般的铝电解电容器，温度与寿命的探讨非常重要，其他种类的电容器也是如此。原则上，随着温度升高，任何电容器包括寿命在内的可靠性都会降低，只是程度有所不同。例如，电解电容器和导电性高分子材料电容器，通常会在额定纹波电流的条件中标明 100kHz 时的容许电流，可作为设计基准；而叠层陶瓷电容器有时会有略微不同的条件，如 ROHM 公司标明的条件是 “自身发热 20℃以内”（近变更为 20℃）。

以叠层陶瓷电容器的技术规格为例，有通过开关频率获得自身发热与容许纹波电流的图表，同时也建立了频率和 ESR 曲线的关联。下面的容许纹波电流图展示了开关频率为 10kHz、100kHz、1MHz 时纹波电流的温度上升曲线。从图中可以看出，例如在 1MHz 的开关条件下，为保证 “自身发热 20℃以下”，在 10℃与 1MHz 的曲线交汇处，大约可以容许 2.8A 的纹波电流。另外，从频率与 ESR 图中可以读取出 3 个频率条件下的 ESR 值，特别是 DC/DC 所使用的数百 KHz 到数 MHz 是 ESR 的范围，有助于抑制发热。在 ESR 稍微变高的 10kHz 条件下，容许纹波电流会变小，这说明容许纹波电流与 ESR 密切相关，ESR 较小的叠层陶瓷电容器在发热方面具有显著优势。

电源电路的输入纹波电流可以通过公式求得，以降压型转换器为例，技术规格中会给出相应公式。如果通过该公式获得的计算值在图表所示的容许值内，则判断为可行。