為什么要擔(dān)心等效串聯(lián)電阻（ESR）浪費(fèi)電能并損耗電容器

記得還在學(xué)校時，我們從電氣工程基礎(chǔ)課上了解到，理想的電容器是一個簡單的基本電抗元件。它很容易用容抗來表達(dá)：

XC= 1/(2πfC)

其中f是頻率，C是電容值。然后，在一些（但不是全部）課程中，剝?nèi)ダ硐氲耐庖轮?，我們了解到現(xiàn)實(shí)并不是那么簡單。理想電容器在現(xiàn)實(shí)世界中有一個重要參數(shù)，稱為等效串聯(lián)電阻（ESR），它可以量化電容器對RF電流的有效電阻RS。

ESR參數(shù)實(shí)際上受到多個因素的影響，包括電極和端子引線，以及電介質(zhì)、板材料、電解質(zhì)溶液等，所有這些都跟特定頻率有關(guān)。如果從實(shí)際串聯(lián)電阻、漏電電阻和介質(zhì)損耗角度來看，ESR便從一個僅與理想電容串聯(lián)的電阻，變?yōu)楦鼜?fù)雜的元件，如圖1所示。請注意，實(shí)際的電容器也會產(chǎn)生互補(bǔ)寄生自感，稱為等效串聯(lián)電感或ESL，但這又是另一回事了，這里先不討論。

圖1：理論電容器是一個簡單的電抗元件，但由于歐姆串聯(lián)電阻、泄漏電阻和介質(zhì)損耗，實(shí)際電容器會帶有等效串聯(lián)電阻。（圖片由QuadTech公司提供）

我們?yōu)槭裁匆獡?dān)心ESR？對于基本的直流電路，ESR可能影響不大。但是，當(dāng)您設(shè)計開關(guān)電源或RF電路時，ESR顯然會影響你的設(shè)計，以及電路的實(shí)際性能。ESR會改變并降低電容器工作電路的諧振以及電路的品質(zhì)因數(shù)Q。ESR跟頻率有關(guān)，顯然也受到電容器類型、材料、結(jié)構(gòu)和電容值等諸多因素的影響，如圖2所示。

圖2：ESR受許多因素的影響，包括工作頻率及電容器材料和類型（圖片由Murata提供）。

ESR不僅僅影響電路性能，作為一個“電阻”，它還會產(chǎn)生熱功耗P，這是流過電容的電流的函數(shù)，用公式表示為P = I2RS。ESR不僅浪費(fèi)電能（多數(shù)情況下由能耗和工作時間決定），而且這種能耗會增加系統(tǒng)的熱負(fù)荷。即使它不會給系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān)，也可能很快超出電容本身的熱額定值。例如，一個基本的0.47μF電容在1GHz時的平均ESR約為0.1Ω，其功耗約為75mW。視電路和系統(tǒng)的具體情況，以及電容器額定參數(shù)的不同，這樣的功耗也許不算什么，但也可能影響重大。

顯而易見的問題是你如何確定ESR？對于大多數(shù)工程師而言，答案很明顯：您可以查看供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表參數(shù)，以及ESR與頻率的關(guān)系圖。信譽(yù)良好的供應(yīng)商會提供詳細(xì)的ESR規(guī)格，不僅標(biāo)明數(shù)值，還會解釋清楚它們是如何確定的。如果你想自己測量ESR，這可不太容易?！?a target="_blank">微波》雜志（Microwave Journal）上有一篇題為“電容器ESR測量的方法和問題”的文章，詳細(xì)介紹了可對ESR進(jìn)行測量的長期且可接受的方式及其局限性，也給出了一個較為先進(jìn)的技巧。不同供應(yīng)商可能會使用不同的方法。無論你嘗試哪種方法，都需要考慮測試和儀器的許多細(xì)微之處，因?yàn)樵谔幚鞧Hz和更高頻率的信號和分量時總會遇到這種情況。你在設(shè)計中有沒有因ESR過大而受到影響的情況？你有沒有試過深入研究你用過的某個特定電容器的ESR的詳細(xì)情況，或試圖自己測量ESR？請分享你的經(jīng)歷和想法。

原文刊登在EDN美國網(wǎng)站，參考鏈接：Don't let ESR waste power and cook capacitors。

《電子技術(shù)設(shè)計》2018年8月刊版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。