【電容十說(shuō)】之六：硬件工程師不能輕易忽略的電容ESR問(wèn)題
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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(hào)來(lái)查詢的參數(shù)。例如我們常說(shuō)的ESR值，如今已成為區(qū)別電容性能的重要參數(shù)，而我們?cè)陔娙萆鲜强床坏竭@個(gè)參數(shù)的，我們得去相關(guān)的網(wǎng)站通過(guò)電容的型號(hào)來(lái)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(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码娙葑兊貌弧巴昝馈?。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”。
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)。
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，一般采用下圖的簡(jiǎn)化方式來(lái)表示：二：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 ?/span>造成高ESR的兩個(gè)常見(jiàn)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(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。
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(wú)關(guān)的。
相反，當(dāng)ESR較大時(shí)，可以減少漏電電流。
四：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，理想電容的兩端電壓不能突變，當(dāng)突然對(duì)電容施加一個(gè)電流，電容因?yàn)樽陨沓潆姡妷簳?huì)從0開(kāi)始上升。由于ESR的影響，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。
由此可見(jiàn)，這樣降低會(huì)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(huì)導(dǎo)致電路在功能上發(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)。
針對(duì)電容器的ESR的選擇，可以參考如下原則：1、多只并聯(lián)，確實(shí)可以降低ESR ?具體計(jì)算方法，跟電阻并聯(lián)的。2、可以選擇低ESR的電解，不過(guò)價(jià)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(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。
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。
|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(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。
2、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），顯示值。|Z|為值時(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)。
六：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。
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(fù)極極板的氧化鋁電阻、鋁板和陰陽(yáng)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(yáng)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(huì)減小。
八：ESR也有“正能量”
有時(shí)候ESR也有好處。例如，在穩(wěn)壓電路中，有一定的ESR電容器，當(dāng)負(fù)載瞬變時(shí)，會(huì)立即產(chǎn)生波動(dòng)，從而引發(fā)反饋電路運(yùn)行，這種快速響應(yīng)，以犧牲一定的瞬態(tài)性能為代價(jià)，獲得后續(xù)的快速調(diào)節(jié)能力，特別是當(dāng)功率管的響應(yīng)速度較慢，且電容器的體積/容量受到嚴(yán)格限制時(shí)。
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。
九：總結(jié)說(shuō)明
普遍的觀點(diǎn)是：一個(gè)等效串聯(lián)電阻（ESR）很小的相對(duì)較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時(shí)的峰值（紋波）電流。但是，有時(shí)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(yuǎn)記住，穩(wěn)壓器就是一個(gè)放大器，放大器可能出現(xiàn)的各種情況它都會(huì)出現(xiàn)。
由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，輸出去耦電容在負(fù)載階躍的初始階段起主導(dǎo)的作用，因此需要額外大容量的電容來(lái)減緩相對(duì)于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的快速轉(zhuǎn)換，同時(shí)用高頻電容減緩相對(duì)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(jí)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(shí)將引起輸入電壓降低。電壓下降過(guò)程可能持續(xù)數(shù)毫秒，時(shí)間長(zhǎng)短主要取決于穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)增益和提供較大負(fù)載電流的時(shí)間。
用 ESR 大的電容并聯(lián)比用 ESR 恰好那么低的單個(gè)電容當(dāng)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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