由電解電容ESR參數(shù)引發(fā)的電路故障

ESR是Equivalent Series Resistance三個(gè)單詞的縮寫(xiě)，翻譯過(guò)來(lái)就是“等效串聯(lián)電阻”。

理論上，一個(gè)完美的電容，自身不會(huì)產(chǎn)生任何能量損失，但是實(shí)際上，因?yàn)橹圃祀娙莸牟牧嫌须娮?，電容的絕緣介質(zhì)有損耗，各種原因?qū)е码娙葑兊貌?ldquo;完美”。這個(gè)損耗在外部，表現(xiàn)為就像一個(gè)電阻跟電容串聯(lián)在一起，所以就起了個(gè)名字叫做“等效串聯(lián)電阻”。

如果覺(jué)得還是太抽象，給你個(gè)直觀的解釋。

任何一個(gè)電容都會(huì)存在ESR，在電容電極之間始終都存在著一個(gè)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，多用下圖的簡(jiǎn)化方式來(lái)表示：

導(dǎo)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?yàn)樗鼈兌挤浅Ｐ　?/p>

造成高ESR的兩個(gè)常見(jiàn)因素是：

1)不良的電氣連接;

2)電解溶液的干枯。

對(duì)于1)，新、舊電解電容都有可能出現(xiàn);

對(duì)于2)多數(shù)都是發(fā)生在舊電解電容上。

不良的電氣連接問(wèn)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，而且一直以來(lái)鋁是不可焊的材料。

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

隨著電解液水分的揮發(fā)，ESR也隨之增大。

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(wú)關(guān)的。

相反，當(dāng)ESR足夠大時(shí)還可以減少漏電電流。

ESR的影響

ESR的出現(xiàn)導(dǎo)致電容的行為背離了原始的定義。

比如，我們認(rèn)為電容上面電壓不能突變，當(dāng)突然對(duì)電容施加一個(gè)電流，電容因?yàn)樽陨沓潆?，電壓?huì)從0開(kāi)始上升。但是有了ESR，電阻自身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降，這就導(dǎo)致了電容器兩端的電壓會(huì)產(chǎn)生突變。無(wú)疑的，這會(huì)降低電容的濾波效果，所以很多高質(zhì)量的電源啦一類的，都使用低ESR的電容器。

同樣的，在振蕩電路等場(chǎng)合，ESR也會(huì)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(yán)重后果。

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

ESR與頻率之間的關(guān)系

下圖是音響輸出電路中所使用的直流隔直電容的情況(圖中紅圈是電容)。

下圖是兩個(gè)100微法電容(ESR分別為0和6歐姆)時(shí)其輸出功率隨輸出頻率變化的曲線。

在低頻端(60Hz)時(shí)兩者的差別不大，但是在高頻端(1KHz)時(shí)兩者就相差很大了。形成這一差別的主要因素就是ESR與電容的容抗之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

再進(jìn)一步來(lái)說(shuō)。

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(圖1)的阻抗Z可用公式(1)表示。

圖 理想電容器

Z=1/jωC (1)

由公式(1)可看出，阻抗大小|Z|如下圖所示，與頻率呈反比趨勢(shì)減少。由于理想電容器中無(wú)損耗，故等價(jià)串聯(lián)電阻(ESR)為零。

圖 理想電容器的頻率特性

實(shí)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(huì)變?yōu)閁字型)曲線，ESR也顯示出與損耗值相應(yīng)的頻率特性。

圖 實(shí)際電容器

圖 實(shí)際電容器的|Z|/ESR頻率特性(例)

|Z|和ESR變?yōu)榍€的原因如下：

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(shì)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。

共振點(diǎn)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)，顯示最小值。|Z|為最小值時(shí)的頻率稱為自振頻率，此 時(shí)|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(diǎn)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(shì)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(lái)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)。

ESR與功率之間的關(guān)系

當(dāng)電容需要承載很大電流的時(shí)候即使在工作頻率較低的情況下也容易出現(xiàn)問(wèn)題。比如在一些大電流開(kāi)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(huì)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(huì)產(chǎn)生高達(dá)2V的紋波電壓，相當(dāng)于紋波電壓達(dá)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(yán)重。

ESR也有“正能量”

ESR也不一無(wú)是處，它也會(huì)被用來(lái)做有益的事。比如在穩(wěn)壓電路中，有一定ESR的電容，在負(fù)載發(fā)生瞬變的時(shí)候，會(huì)立即產(chǎn)生波動(dòng)而引發(fā)反饋電路動(dòng)作，這個(gè)快速的響應(yīng)，以犧牲一定的瞬態(tài)性能為代價(jià)，獲取了后續(xù)的快速調(diào)整能力，尤其是功率管的響應(yīng)速度比較慢，并且電容器的體積/容量受到嚴(yán)格限制的時(shí)候。這種情況見(jiàn)于一些使用mos管做調(diào)整管的三端穩(wěn)壓或者相似的電路中。這時(shí)候，太低的ESR反而會(huì)降低整體性能。

ESR是等效“串聯(lián)”電阻，意味著，將兩個(gè)電容串聯(lián)，會(huì)增大這個(gè)數(shù)值，而并聯(lián)則會(huì)減少之。

實(shí)際上，需要更低ESR的場(chǎng)合更多，而低ESR的大容量電容價(jià)格相對(duì)昂貴，所以很多開(kāi)關(guān)電源采取的并聯(lián)的策略，用多個(gè)ESR相對(duì)高的鋁電解并聯(lián)，形成一個(gè)低ESR的大容量電容。犧牲一定的PCB空間，換來(lái)器件成本的減少，很多時(shí)候都是劃算的。

和ESR類似的另外一個(gè)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(huì)成為ESR的一部分，并且ESL也會(huì)引發(fā)一些電路故障，比如串聯(lián)諧振等。但是相對(duì)容量來(lái)說(shuō)，ESL的比例太小，出現(xiàn)問(wèn)題的幾率很小，再加上電容制作工藝的進(jìn)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(gè)和電感類似的品質(zhì)系數(shù)Q，這個(gè)系數(shù)反比于ESR，并且和頻率相關(guān)，也比較少使用。

生產(chǎn)廠家為何不愿標(biāo)示出來(lái)ESR呢?

以電解電容為例，電解液的電阻是鋁電解電容器等效串聯(lián)電阻(ESR)的主要部分。多數(shù)鋁電解電容器生產(chǎn)廠商是不給出ESR數(shù)據(jù)的 主要原因主要是：相對(duì)于其它介質(zhì)的電容器，鋁電解電容器的ESR顯得太大。如1μF/16V的普通鋁電解電容器，其ESR一般在20Ω左右;100μF的 鋁電解電容器，其ESR也是在1.5~2Ω之間。

試想，這樣的數(shù)據(jù)寫(xiě)在數(shù)據(jù)手冊(cè)里肯定會(huì)影響應(yīng)用者的應(yīng)用鋁電解電容器的信心。因此，在某種以上說(shuō)，應(yīng)用鋁電解電容器是一種無(wú)奈的選擇。會(huì)影響鋁電解電容器的應(yīng)用。

對(duì)于一般應(yīng)用的鋁電解電容器，多數(shù)鋁電解電容器生產(chǎn)廠商是不給出ESR數(shù)據(jù)的，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源用的低ESR鋁電解電容器或電容量比較大的插腳式鋁電解電容器則給出這個(gè)數(shù)據(jù)。

其他

由ESR引發(fā)的電路故障通常很難檢測(cè)，而且ESR的影響也很容易在設(shè)計(jì)過(guò)程中被忽視。簡(jiǎn)單的做法是，在仿真的時(shí)候，如果無(wú)法選擇電容的具體參數(shù)，可以嘗試在電容上人為串聯(lián)一個(gè)小電阻來(lái)模擬ESR的影響，通常的，鉭電容的ESR通常都在100毫歐以下，而鋁電解電容則高于這個(gè)數(shù)值，有些種類電容的ESR甚至?xí)哌_(dá)數(shù)歐姆。

ESR值與紋波電壓的關(guān)系可以用公式V=R(ESR)×I表示。這個(gè)公式中的V就表示紋波電壓，而R表示電容的ESR，I表示電流?？梢钥吹?，當(dāng)電流增大的時(shí)候，即使在ESR保持不變的情況下，紋波電壓也會(huì)成倍提高。