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別讓等效串聯電阻(ESR)浪費電能并損耗電容器

2018-08-04
關鍵詞: 理想電容器 ESR 電路

理想電容器在現實世界中有一個重要參數,稱為等效串聯電阻(ESR)。ESR對基本的直流電路可能影響不大,卻會影響開關電源或RF電路的實際性能。此外,ESR還會產生熱功耗,浪費電能,增加系統的熱負荷。

記得還在學校時,我們從電氣工程基礎課上了解到,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:

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,剝去理想的外衣之后,我們了解到現實并不是那么簡單。理想電容器在現實世界中有一個重要參數,稱為等效串聯電阻(ESR),它可以量化電容器對RF電流的有效電阻RS。 

ESR參數實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、板材料、電解質溶液等,所有這些都跟特定頻率有關。如果從實際串聯電阻、漏電電阻和介質損耗角度來看,ESR便從一個僅與理想電容串聯的電阻,變為更復雜的元件,如圖1所示。請注意,實際的電容器也會產生互補寄生自感,稱為等效串聯電感或ESL,但這又是另一回事了,這里先不討論。

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


我們為什么要擔心ESR?對于基本的直流電路,ESR可能影響不大。但是,當您設計開關電源或RF電路時,ESR顯然會影響你的設計,以及電路的實際性能。ESR會改變并降低電容器工作電路的諧振以及電路的品質因數Q。ESR跟頻率有關,顯然也受到電容器類型、材料、結構和電容值等諸多因素的影響,如圖2所示。

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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”,它還會產生熱功耗P,這是流過電容的電流的函數,用公式表示為P = I2RS。ESR不僅浪費電能(多數情況下由能耗和工作時間決定),而且這種能耗會增加系統的熱負荷。即使它不會給系統造成負擔,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。視電路和系統的具體情況,以及電容器額定參數的不同,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?對于大多數工程師而言,答案很明顯:您可以查看供應商的數據表參數,以及ESR與頻率的關系圖。信譽良好的供應商會提供詳細的ESR規格,不僅標明數值,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。《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,詳細介紹了可對ESR進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的技巧。不同供應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微之處,因為在處理GHz和更高頻率的信號和分量時總會遇到這種情況。

你在設計中有沒有因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的詳細情況,或試圖自己測量ESR?請分享你的經歷和想法。

原文刊登在EDN美國網站,參考鏈接Don't let ESR waste power and cook capacitors。

《電子技術設計》2018年8月刊版權所有,禁止轉載。


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