【電容十說】之六：硬件工程師不能輕易忽略的電容ESR問題

時間：2021-09-06 15:22:35

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關(guān)于電容的參數(shù)，我們將其分為“看得到的”和“看不到的”。所謂“看得到的”，就是印在電容表面的一些基本參數(shù)，這些參數(shù)在我們看到一顆電容之后往往可以直接得知。例如電容的容量（比如“470μF”等等）、容量偏差范圍、耐溫范圍、電壓值（比如“16V”）。

所謂“看不到的”參數(shù)，就是我們需要根據(jù)電容的型號來查詢的參數(shù)。例如我們常說的ESR值，如今已成為區(qū)別電容性能的重要參數(shù)，而我們在電容上是看不到這個參數(shù)的，我們得去相關(guān)的網(wǎng)站通過電容的型號來查詢。類似的參數(shù)還有不少，其中包括ESR：

一：ESR的定義

ESR是Equivalent Series Resistance三個單詞的縮寫，翻譯過來就是“等效串聯(lián)電阻”。

理論上，一個完美的電容，自身不會產(chǎn)生任何能量損失，但是實際上，因為制造電容的材料有電阻，電容的絕緣介質(zhì)有損耗，各種原因?qū)е码娙葑兊貌弧巴昝馈?。這個損耗在外部，表現(xiàn)為就像一個電阻跟電容串聯(lián)在一起，所以就起了個名字叫做“等效串聯(lián)電阻”。

同樣的，在振蕩電路等場合，ESR也會引起電路在功能上發(fā)生變化，引起電路失效甚至損壞等嚴重后果。所以在多數(shù)場合，低ESR的電容，往往比高ESR的有更好的表現(xiàn)。

任何一個電容都會存在ESR，在電容電極之間始終都存在著一個電氣性的電阻，如金屬引腳電阻、電極極板電阻、以及它們之間的連接電阻等等。
　　

鋁電解電容還包括存在于濕的電解質(zhì)溶液的電阻、以及含有高電平“水”的鋁氧化物（水合氧化鋁）中的電阻等。

下圖表示了電解電容ESR的形成因素。

通常，為了便于分析電容的ESR，一般采用下圖的簡化方式來表示：

二：導致ESR變化的因素

首先，管腳引腳和電容電極極板金屬的電阻可以忽略，因為它們都非常小。

造成高ESR的兩個常見因素是：

1）不良的電氣連接：新、舊電解電容都有可能出現(xiàn)

2）電解溶液的干枯：多數(shù)都是發(fā)生在舊電解電容上

對于鋁質(zhì)的電極極板材料和銅質(zhì)的管腳材料來說，其電氣連接主要采用所謂的“焊接”和機械壓接方式。但是這兩種方式都會產(chǎn)生較高的ESR。

不良的電氣連接問題主要是由于連接于電容內(nèi)部的管腳引線不是鋁金屬材料，而且鋁是不可焊的材料。

隨著電解液水分的揮發(fā)，ESR也隨之增大。

三：ESR與電解電容的漏電相關(guān)

漏電是電容電極極板之間的并聯(lián)電阻。而ESR僅僅是串聯(lián)電阻，所以兩者是完全不同的，即ESR是與漏電無關(guān)的。

　　相反，當ESR較大時，可以減少漏電電流。

四：ESR的影響

ESR的出現(xiàn)導致電容的行為背離了原始的定義。

比如，理想電容的兩端電壓不能突變，當突然對電容施加一個電流，電容因為自身充電，電壓會從0開始上升。由于ESR的影響，電阻自身會產(chǎn)生一個壓降，這就導致了電容器兩端的電壓會產(chǎn)生突變。

由此可見，這樣降低會電容的濾波效果，所以很多高質(zhì)量的電源，都使用低ESR的電容器。

同樣的，在振蕩電路中，ESR可能會導致電路在功能上發(fā)生變化，引起電路失效甚至損壞等嚴重后果。

所以在多數(shù)場合，低ESR的電容，往往比高ESR的有更好的表現(xiàn)。

針對電容器的ESR的選擇，可以參考如下原則：

1、多只并聯(lián)，確實可以降低ESR ?具體計算方法，跟電阻并聯(lián)的。

2、可以選擇低ESR的電解，不過價格比較貴。

3、也可以選擇薄膜電容代替。

五：ESR與頻率之間的關(guān)系

如假設(shè)角頻率為ω，電容器的靜電容量為C，則理想狀態(tài)下電容器的阻抗Z可用公式(1)表示。

Z=1/jωC?

由上面公式可看出，阻抗大小|Z|如下圖所示，與頻率呈反比趨勢減少。由于理想電容器中無損耗，故等價串聯(lián)電阻(ESR)為零。

實際中，|Z|的頻率特性如下圖所示呈V字型（部分電容器可能會變?yōu)閁字型）曲線，ESR也顯示出與損耗值相應(yīng)的頻率特性。

　　|Z|和ESR變?yōu)榍€的原因如下：

1、低頻率范圍：低頻率范圍的|Z|與理想電容器相同，都與頻率呈反比趨勢減少。ESR值也顯示出與電介質(zhì)分極延遲產(chǎn)生的介質(zhì)損耗相應(yīng)的特性。

2、共振點附近：頻率升高，則|Z|將受寄生電感或電極的比電阻等產(chǎn)生的ESR影響，偏離理想電容器（紅色虛線），顯示值。|Z|為值時的頻率稱為自振頻率，此時|Z|=ESR。若大于自振頻率，則元件特性由電容器轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼?，|Z|轉(zhuǎn)而增加。低于自振頻率的范圍稱作容性領(lǐng)域，反之則稱作感性領(lǐng)域。

ESR除了受介電損耗的影響，還受電極自身抵抗行程的損耗影響。

高頻范圍：共振點以上的高頻率范圍中的|Z|的特性由寄生電感(L)決定。高頻范圍的|Z|可由公式(2)近似得出，與頻率成正比趨勢增加。

ESR逐漸表現(xiàn)出電極趨膚效應(yīng)及接近效應(yīng)的影響。

重要的是，頻率越高，就越不能忽視寄生成分ESR或ESL的影響。隨著電容器在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，ESR和ESL與靜電容量值一樣，成為表示電容器性能的重要參數(shù)。

六：ESR與功率之間的關(guān)系

當電容需要承載很大電流的時候即使在工作頻率較低的情況下也容易出現(xiàn)問題。比如在一些大電流開關(guān)電源里。

例如，一只工作在60Hz、5A電源里的20000微法的電容，假設(shè)它的ESR為0.5歐姆，那么按照歐姆定律P=I×I×R，則電容內(nèi)部將12.5W的功率消耗，由此而產(chǎn)生的熱量將加速電解液的干枯并使得電容失效。

而ESR也會降低濾波效果。如5V的TTL供電回路里如果存在0.5歐姆的電阻的話，將會產(chǎn)生高達2V的紋波電壓，相當于紋波電壓達到40％的程度。

如果電容工作在高頻高電流電路中，情況將更為嚴重。

七：ESR與溫度的關(guān)系

ESR的溫度特性與電容器的電極材料、電解質(zhì)和絕緣材料有關(guān)，ESR溫度特性便是電容器各部分材料的溫度特性的疊加。鋁電解電容器的ESR由電解液電阻、負極極板的氧化鋁電阻、鋁板和陰陽箔電阻影響。其中電解液的電阻率隨著溫度的升高而降低，氧化鋁、鋁板和陽極箔的電阻隨著溫度的升高而增加。所以他們疊加的效果，隨著環(huán)境溫度的升高電解電容器的ESR將會減小。

八：ESR也有“正能量”

有時候ESR也有好處。例如，在穩(wěn)壓電路中，有一定的ESR電容器，當負載瞬變時，會立即產(chǎn)生波動，從而引發(fā)反饋電路運行，這種快速響應(yīng)，以犧牲一定的瞬態(tài)性能為代價，獲得后續(xù)的快速調(diào)節(jié)能力，特別是當功率管的響應(yīng)速度較慢，且電容器的體積/容量受到嚴格限制時。

ESR是等效“串聯(lián)”電阻，意味著，將兩個電容串聯(lián)，會增大這個數(shù)值，而并聯(lián)則會減少之。

實際上，需要更低ESR的場合更多，而低ESR的大容量電容價格相對昂貴，所以很多開關(guān)電源采取的并聯(lián)的策略，用多個ESR相對高的鋁電解并聯(lián)，形成一個低ESR的大容量電容。犧牲一定的PCB空間，換來器件成本的減少，很多時候都是劃算的。

和ESR類似的另外一個概念是ESL，也就是等效串聯(lián)電感。早期的卷制電容經(jīng)常有很高的ESL，而且容量越大的電容，ESL一般也越大。ESL經(jīng)常會成為ESR的一部分，并且ESL也會引發(fā)一些電路故障，比如串聯(lián)諧振等。但是相對容量來說，ESL的比例太小，出現(xiàn)問題的幾率很小，再加上電容制作工藝的進步，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸忽略ESL，而把ESR作為除容量之外的主要參考因素了。

順便，電容也存在一個和電感類似的品質(zhì)系數(shù)Q，這個系數(shù)反比于ESR，并且和頻率相關(guān)，也比較少使用。

九：總結(jié)說明

普遍的觀點是：一個等效串聯(lián)電阻（ESR）很小的相對較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時的峰值（紋波）電流。但是，有時這樣的選擇容易引起穩(wěn)壓器（特別是線性穩(wěn)壓器 LDO）的不穩(wěn)定，所以必須合理選擇小容量和大容量電容的容值。永遠記住，穩(wěn)壓器就是一個放大器，放大器可能出現(xiàn)的各種情況它都會出現(xiàn)。

由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度相對較慢，輸出去耦電容在負載階躍的初始階段起主導的作用，因此需要額外大容量的電容來減緩相對于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的快速轉(zhuǎn)換，同時用高頻電容減緩相對于大電容的快速變換。通常，大容量電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)該選擇為合適的值，以便使輸出電壓的峰值和毛刺在器件的Dasheet 規(guī)定之內(nèi)。

高頻轉(zhuǎn)換中，小容量電容在 0.01μF 到0.1μF 量級就能很好滿足要求。表貼陶瓷電容或者多層陶瓷電容（MLCC）具有更小的 ESR。另外，在這些容值下，它們的體積和 BOM 成本都比較合理。如果局部低頻去耦不充分，則從低頻向高頻轉(zhuǎn)換時將引起輸入電壓降低。電壓下降過程可能持續(xù)數(shù)毫秒，時間長短主要取決于穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)增益和提供較大負載電流的時間。

用 ESR 大的電容并聯(lián)比用 ESR 恰好那么低的單個電容當然更具成本效益。然而,這需要你在 PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。

End

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