电容器的等效串联电阻ESR

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2016-07-22 10:12

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深入理解电容器的等效串联电阻(esr)
电容器的主要技术指标有电容量、耐压值、耐温值。除了这三个主要指标外,其他指标中较重要的就是等效串联电阻(esr)了。有的电容器上有一条金色的带状线,上面印有一个大大的空心字母“i”,它表示该电容属于lowesr低损耗电容。有的电容还会标出esr值(等效串联电阻),esr越低,损耗越小,输出电流就越大,电容器的品质越高。
esr是e seriesresistance的缩写,即“等效串联电阻”。理想的电容自身不会有任何能量损失,但实际上,因为制造电容的材料有电阻,电容的绝缘介质有损耗。这个损耗在外部,表现为就像一个电阻跟电容串联在一起,所以就称为“等效串联电阻”。和esr类似的另外一个概念是esl,也就是等效串联电感。早期的卷制电感经常有很高的esl,容量越大的电容,esl一般也越大。esl经常会成为esr的一部分,并且esl会引起串联谐振等现象。但是相对电容量来说,esl的比例很小,出现问题的几率很小,后来由于电容制作工艺的提高,现在已经逐渐忽略esl,而把esr作为除容量、耐压值、耐温值之外选用电容器的主要参考因素了。
串联等效电阻esr的单位是毫欧(mΩ)。通常钽电容的esr通常都在100毫欧以下,而铝电解电容则高于这个数值,有些种类电容的esr甚至会高达数欧姆。esr的高低,与电容器的容量、电压、频率及温度都有关系,当额定电压固定时,容量愈大esr愈低。同样当容量固定时,选用高的额定电压的品种也能降低esr;故选用耐压高的电容确实有许多好处;低频时esr高,高频时esr低;高温也会造成esr的升高。
现在电子技术正朝着低电压高电流电路的设计方向发展,供应给元器件的电压呈现越来越低的趋势,但对功率的要求却丝毫没有降低。按p=ui的公式来计算,要获得同样的功率,电压降低了,那就必须得增大电流。例如intel、amd的新款cpu,电压均小于2v,和以前3、4v的电压相比低得多。但另一方面这些芯片由于晶体管和频率的激增,需求的功耗却是增大了许多,对电流的要求就越来越高了。例如两颗功率都是70w的cpu,前者电压是3.3v,后者电压是1.8v。那么,前者的电流i=p/u=70w/3.3v=21.2a;而后者的电流i=p/u=70w/1.8v=38.9a,将近是前者电流的两倍。在通过电容的电流越来越高的情况下,假如电容的esr值不能保持在一个较小的范围,那么就会产生更高的纹波电压(理想的输出直流电压应该是一条水平线,而纹波电压则是水平线上的波峰和波谷),因此就促使工程师在设计时,要使用小的esr电容器。
esr值与纹波电压的关系可以用公式v=r(esr)×i表示。这个公式中的v就表示纹波电压,而r表示电容的esr,i表示电流。可以看到,当电流增大的时候,即使在esr保持不变的情况下,纹波电压也会成倍提高,因此采用更低esr值的电容是势在必行的。
此外,即使是相同的纹波电压,对低电压电路的影响也要比在高电压情况下更大。例如对于3.3v的cpu而言,0.2v纹波电压所占比例较小,不足以形成很大的影响,但是对于1.8v的cpu,同样是0.2v的纹波电压,其所占的比例就足以造成数字电路的判断失误。
例如《电子报》2007年第26期17版的《由ncp1200构成的12v、1a开关电源》的文章中,对开关变压器次级二极管整流后的lcπ型滤波器中电容c6、c7的要求就是“要选用等效串联电阻小的电解电容,等效电阻不仅会影响转换率还会影响输出纹波电压。”
esr是等效“串联”电阻,将两个电容串联,会使esr值增大,而并联则会使之减小。因此在需要更低esr的场合,而低esr的大容量电容价格又相对昂贵的情况下,用多个esr相对高的铝电解电容并联,形成一个低esr的大容量电容也是一种常用的办法。很多开关电源采取的电容并联的策略,以牺牲一定的pcb空间,换来器件成本的减少。
不过一定等效串联电阻的存在也有好的方面。比如在稳压电路中,有一定esr的电容,在负载发生瞬变的时候,会立即产生波动而引发反馈电路动作,这个快速的响应,以牺牲一定的瞬态性能为代价,获取了后续的快速调整能力,尤其是功率管的响应速度比较慢,而且在电容器的体积、容量受到严格限制的情况。这种情况多见于一些使用mos管做调整管的三端稳压器或相似的电路中,采用太低的esr电容器反而会降低整体的性能
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电阻,电容

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