為什么低ESR在電容器設(shè)計(jì)中很重要

實(shí)用的電容器是一種非理想元件。其電路模型包含串聯(lián)電感（ESL）和串聯(lián)電阻（ESR）。雖然等效串聯(lián)電阻通常在電路模型中顯示為一個(gè)恒定值，但它會(huì)根據(jù)工作條件而變化。ESR 是特定操作條件下能量損失機(jī)制組合的阻力。

電容器內(nèi)的一些能量損失可歸因于導(dǎo)體，而另一些則涉及介電材料。這些損耗主要取決于電壓和溫度。最常見(jiàn)的能量損耗機(jī)制包括介電損耗、鐵電體損耗、介電傳導(dǎo)損耗、界面極化、局部放電損耗、歐姆電阻損耗、導(dǎo)體之間的火花、機(jī)電損耗和渦流損耗。

連同其電容值，ESR 定義了電容器充電和放電的時(shí)間常數(shù)，從而定義了電容器對(duì)電壓/電流變化/紋波的反應(yīng)速度。在實(shí)際的平滑應(yīng)用中，電容器技術(shù)是并聯(lián)組合的，其中高電容部件負(fù)責(zé)大容量濾波（鋁或鉭電容器），而具有低 ESR 的小型 MLCC 電容器負(fù)責(zé)快速、高頻尖峰。

注意：最低 ESR 電容器并不總是最佳選擇。在某些應(yīng)用（例如反饋電容器）中，電容器的 ESR 過(guò)低最終可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器在工作條件之外振蕩出現(xiàn)一些問(wèn)題。LDO 型電路對(duì)電容器 ESR 范圍也非常敏感（包括 ESR 隨溫度的變化?。?，過(guò)去強(qiáng)烈建議將鉭電容器與 LDO 一起使用，而不是與 ESR 值過(guò)低的 MLCC 一起使用。這些問(wèn)題是老一代 IC 的典型問(wèn)題，隨著設(shè)計(jì)架構(gòu)和組件不斷改進(jìn)的最新 IC，對(duì)電容器 ESR 值的敏感度明顯降低。

電容器中的能量損失機(jī)制

介電損耗
不同的介電材料在施加或移除電壓時(shí)響應(yīng)不同。介電損耗與介電材料如何響應(yīng)電壓而極化或松弛有關(guān)。這些損耗的大小取決于溫度和頻率。耗散因數(shù) (DF) 通常用于描述材料的介電損耗。電容器的耗散因數(shù)和等效串聯(lián)電阻取決于電極及其配置。在薄膜電容器中，介電損耗是影響整體等效串聯(lián)電阻的主要因素。

介電損耗

介電傳導(dǎo)損耗是指由電荷在介電材料上的實(shí)際移動(dòng)引起的損耗。這些損耗往往在高溫和低頻時(shí)最大。在某些電容器中，例如 MLCC II 類電容器，介電傳導(dǎo)損耗很大程度上取決于施加的電壓。

歐姆電阻損耗
電容器的金屬端子、電極和內(nèi)部布線呈現(xiàn)電阻。這種能量損失不會(huì)隨溫度和頻率顯著變化。然而，在高頻下，電極中的趨膚深度效應(yīng)變得顯著。盡管在低電流應(yīng)用中發(fā)生在端子和內(nèi)部布線中的歐姆電阻損耗是微不足道的，但在高電流應(yīng)用中不應(yīng)忽視它們。

鐵電磁滯損耗

一些高介電常數(shù)材料表現(xiàn)出強(qiáng)烈依賴于施加電壓的損耗。這些損耗稱為鐵電磁滯損耗，它們發(fā)生在內(nèi)部極化場(chǎng)和外加場(chǎng)具有相同幅度時(shí)。這種情況會(huì)導(dǎo)致介電材料飽和。具有如此高介電常數(shù)材料的電容器表現(xiàn)出對(duì)電壓反轉(zhuǎn)、永久極化和電容隨電壓變化的敏感性。鐵電磁滯損耗在采用高介電常數(shù)材料的陶瓷電容器中很常見(jiàn)。

界面極化損耗
大多數(shù)高壓電容器的介電系統(tǒng)至少有兩種不同的材料。這些材料中的每一種都具有不同的介電常數(shù)和傳導(dǎo)特性。當(dāng)施加直流電壓時(shí)，這種性質(zhì)的差異會(huì)導(dǎo)致電荷在此類材料的內(nèi)部界面處積累。界面極化損耗在低頻高壓電容器中很常見(jiàn)。

局部放電損耗
一些電容器在電壓變化率很高時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部放電。這種能量損失機(jī)制被稱為局部放電損失，在充氣電容器和液體電容器中很常見(jiàn)，尤其是在高壓下。電壓反轉(zhuǎn)也可能導(dǎo)致局部放電損耗。

渦流
在電容器中，渦流損耗很大程度上取決于頻率。在大多數(shù)應(yīng)用中，這種能量損失機(jī)制影響不大，通常被忽略。然而，在脈沖形成網(wǎng)絡(luò)中，渦流損耗具有顯著影響，應(yīng)予以考慮。

火花
在某些電容器中，放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生火花。火花主要發(fā)生在相鄰的金屬表面之間，它是脈沖電容器中常見(jiàn)的能量損失機(jī)制。這種能量損失機(jī)制取決于電壓和頻率。

機(jī)電損耗
在大多數(shù)電容器中，機(jī)電損耗主要發(fā)生在介電材料和內(nèi)部布線中。在介電材料中，機(jī)電損耗主要是由電致伸縮引起的。在某些情況下，它可能是由壓電效應(yīng)引起的。在內(nèi)部布線中，洛倫茲力會(huì)導(dǎo)致彎曲。發(fā)生這種情況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致能量損失。

陶瓷電容器中的 ESR

等效串聯(lián)電阻是為電子電路選擇陶瓷電容器時(shí)要考慮的最重要參數(shù)之一。在陶瓷電容器中，該參數(shù)是金屬元素和介電材料中發(fā)生的損耗的總和。許多應(yīng)用需要具有低 ESR 的陶瓷電容器。因此，在為您的電路選擇陶瓷電容器時(shí)考慮此參數(shù)至關(guān)重要。

陶瓷電容器的介電損耗主要取決于微觀結(jié)構(gòu)因素、介電配方和雜質(zhì)濃度?？紫堵?、形態(tài)和晶粒尺寸是決定等效串聯(lián)電阻的主要微觀結(jié)構(gòu)因素。損耗因數(shù)因一種介電材料而異。過(guò)多的損耗會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)熱，從而導(dǎo)致熱擊穿和電容器故障。在陶瓷電容器中，介電損耗在低頻時(shí)占主導(dǎo)地位。在高頻下，這些損耗會(huì)減少，它們對(duì)整體 ESR 的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。

金屬損耗包括歐姆電阻損耗和集膚效應(yīng)。在陶瓷電容器中，金屬損耗主要取決于材料和結(jié)構(gòu)的特性。趨膚效應(yīng)是陶瓷電容器電極和端子中常見(jiàn)的能量損失機(jī)制。這種能量損失機(jī)制是頻率相關(guān)的。過(guò)多的金屬損耗會(huì)導(dǎo)致陶瓷電容器發(fā)熱和熱擊穿。與介電損耗不同，金屬損耗在高頻下占主導(dǎo)地位。

高 ESR 值會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的功率損耗和縮短電池壽命。在耦合和旁路應(yīng)用中使用低損耗電容器有助于延長(zhǎng)便攜式電子設(shè)備的電池壽命。在射頻功率放大器中，使用低損耗陶瓷電容器很容易獲得高效率和增加的功率輸出。使用高 ESR 電容器會(huì)降低效率，因?yàn)楹艽笠徊糠止β室?ESR 損耗的形式浪費(fèi)掉。

低損耗電容器散發(fā)的熱量更少。使用此類組件使電路設(shè)計(jì)人員能夠管理電子電路中的熱問(wèn)題。在高射頻應(yīng)用中，使用高 ESR 陶瓷電容器會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱。在低噪聲放大器中，低 ESR 電容器用于提高效率和有效增益。

1 類陶瓷電介質(zhì)在非常高的頻率下具有出色的穩(wěn)定性和低功耗。它們通常用于需要低損耗電容器的應(yīng)用中。另一方面，2 類陶瓷電介質(zhì)具有更高的損耗，但提供高電容/體積效率。

鉭電容器中的 ESR 鉭電容器
的陽(yáng)極是由鉭金屬粉末燒結(jié)顆粒制成的。然而，箔式鉭電容器（不再那么常用）使用一條箔片。一層氧化物用作絕緣體，其厚度決定了電容器的額定電壓。二氧化錳或?qū)щ娋酆衔锸枪腆w鉭電容器中用于覆蓋氧化層的第二導(dǎo)體。在箔式電容器的情況下，電解質(zhì)是第二導(dǎo)體。在固體鉭電容器和箔式電容器中，都使用了額外的材料來(lái)制作端子。

在鉭電容器中，等效串聯(lián)電阻的主要貢獻(xiàn)者是接觸材料和氧化物絕緣體中的損耗。在高頻下，與接觸材料損耗相比，氧化物絕緣體損耗不那么顯著。然而，在低頻下，氧化物絕緣體損耗更為顯著。

鉭電容器中的氧化物損耗隨溫度升高而略有增加。相比之下，二氧化錳的電阻隨著溫度的升高而降低。此外，二氧化錳電阻損失因制造程序而異，分析起來(lái)很復(fù)雜。與 MnO2 傳統(tǒng)類型相比，導(dǎo)電聚合物鉭具有更低的歐姆電阻損耗 - 更低的 ESR，并且它幾乎沒(méi)有 ESR 隨溫度的變化，這與 MnO2 不同，MnO2 在負(fù)溫度下的 ESR 可能比那些聚合物高 10 倍左右。

在低頻，特別是低于 1 Hz 的頻率下，介電吸收和泄漏電流具有顯著影響，應(yīng)予以考慮。通常，在典型的鉭電容器中，ESR 會(huì)隨著頻率的增加而降低。ESR 以多種方式影響鉭電容器的性能。首先，它的電阻效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電容器發(fā)熱。其次，ESR 會(huì)增加電路中的阻抗，從而使鉭電容器在去耦和濾波應(yīng)用中的效果降低。

鋁電解電容器中的 ESR
對(duì)于中高壓應(yīng)用，需要低損耗鋁電解電容器。與高 ESR 電容器相比，低 ESR 電容器具有更少的功率損耗和內(nèi)部發(fā)熱問(wèn)題。除了降低性能外，高 ESR 值還會(huì)降低鋁電解電容器的壽命。此外，低 ESR 值可以實(shí)現(xiàn)更大的紋波電流容量。

在鋁電解電容器中，鋁陽(yáng)極、陰極箔、電解質(zhì)和極耳對(duì)電容器的整體 ESR 有貢獻(xiàn)。每個(gè)來(lái)源的電阻值主要取決于頻率和溫度。在低頻和低溫下，氧化鋁對(duì)整體 ESR 的貢獻(xiàn)最大。另一方面，在高頻和高溫下，對(duì)整體 ESR 的最大貢獻(xiàn)來(lái)自電解質(zhì)。通常，在應(yīng)用條件下，紙張組合和電解質(zhì)是這些電容器中等效串聯(lián)電阻的主要來(lái)源。

具有顯著更低和更穩(wěn)定 ESR 的聚合物和混合（聚合物和濕電解質(zhì)組合）電極也可在市場(chǎng)上買到，它們解決了濕電解電容器的大部分缺點(diǎn)，降低了歐姆損耗、干涸效應(yīng)（可靠性和穩(wěn)定性提高） ) 和 ESR 溫度依賴性。

鋁電解電容器的 ESR 值取決于紙質(zhì)隔膜的厚度和密度。為了最小化等效串聯(lián)電阻，不建議使用更厚和更密集的隔膜。使用許多極耳和高導(dǎo)電率電解質(zhì)材料有助于降低鋁電解電容器中的 ESR?？梢远ㄖ?a target="_blank">標(biāo)簽連接、箔和紙隔板，以產(chǎn)生對(duì)整體等效串聯(lián)電阻的特定電阻貢獻(xiàn)。

ESR 與頻率電容器技術(shù)比較

ESR 主要用于表征較高頻率域中的電容器損耗，標(biāo)準(zhǔn)參考頻率為 100kHz。帶有頻率圖的 ESR 說(shuō)明了整個(gè)頻譜中的損耗。如上所述，低于 1kHz 的低頻損耗是由“較慢”的極化和介電層中的損耗驅(qū)動(dòng)的，中頻（~1kHz 至 10kHz）是由內(nèi)部結(jié)構(gòu)損耗（例如內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)的電導(dǎo)率）驅(qū)動(dòng)的， >100kHz 的高頻主要由終端、觸點(diǎn)等的歐姆損耗驅(qū)動(dòng)。

參考圖3。由于其多層結(jié)構(gòu)，MLCC 電容器與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格頻率 100kHz 的其他技術(shù)相比，具有最低的 ESR 值。這有利于平滑開(kāi)關(guān)電源等應(yīng)用的更高頻率和快速尖峰。然而，在低頻時(shí)，MLCC II 類電容器與其他技術(shù)相比具有更高的 ESR（和 DF）。因此，在實(shí)際示例中，如果存在低頻尖峰（例如常見(jiàn)的 50-216Hz），將 MLCC 與一些鋁或鉭電解電容器并聯(lián)使用會(huì)更有效。

結(jié)論

就像其他物理設(shè)備一樣，電容器不是完美或理想的組件。用于制造電容器的材料具有有限的電阻。因此，電容器會(huì)為電路提供一些電阻。復(fù)阻抗的實(shí)部，即等效串聯(lián)電阻，是電容器中發(fā)生的能量損失機(jī)制的總和。當(dāng)設(shè)備在特定條件下運(yùn)行時(shí)，這些小損失會(huì)變得很重要。

一些可以顯著影響電容器行為的條件包括高電流、高頻率和極端溫度。雖然頻率、電壓和溫度會(huì)影響電容器的性能，但只有頻率會(huì)影響 ESR。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，設(shè)計(jì)工程師必須考慮電路的工作頻率以及元件的溫度。

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審核編輯：符乾江