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别让等效串联电阻浪费电能及损耗电容

2018-08-29
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记得在学校时,我们从电气工程基础课上了解到,理想的电容是一个简单的基本电抗组件。它很容易用容抗来表达:

XC=1/(2π fC)


其中f是频率,C是电容值。然后,在一些(但不是全部)课程中,剥去理想的外衣之后,会了解到现实并不是那么简单。理想电容在现实世界中有一个重要参数,称为等效串联电阻(ESR),它可以量化电容对RF电流的有效电阻RS。


ESR参数实际上受到多个因素的影响,包括电极和端子引线,以及电介质、板材料、电解质溶液等,所有这些都跟特定频率有关。如果从实际串联电阻、漏电电阻和介质损耗角度来看,ESR从一个仅与理想电容串联的电阻,变为更复杂的组件,如图1所示。请注意,实际的电容也会产生互补寄生自感,称为等效串联电感或ESL,但这又是另一回事了,这里先不讨论。

图1 理论电容(theoretical capacitor)是一个简单的电抗组件,但由于奥姆串联电阻、泄漏电阻和介质损耗,实际电容会带有等效串联电阻。(数据源:QuadTech)


为什么要担心ESR?对于基本的直流电路,ESR可能影响不大。但是,当设计开关电源或RF电路时,ESR显然会影响设计,以及电路的实际性能。ESR会移位并降低电容工作电路的谐振,以及电路的质量因子Q。ESR跟频率有关,显然也受到电容类型、材料、结构和电容值等诸多因素的影响,如图2所示。

图2 ESR受许多因素的影响,包括工作频率及电容材料和类型。(数据源:Murata)


ESR不仅仅影响电路性能,作为一个「电阻」,它还会产生热功耗P,这是流过电容的电流函数,用公式表示为P=I2RS。ESR不仅浪费电能(多数情况下由能源消耗和工作时间决定),而且这种能耗会增加系统的热负荷,即使它不会给系统造成负担,也可能很快超出电容本身的热额定值。例如,一个基本的0.47μF电容在1GHz时的平均ESR约为0.1Ω,其功耗约为75mW,视电路和系统的具体情况,以及电容额定参数的不同,这样的功耗也许不算什么,但也可能影响重大。


显而易见的问题是如何确定ESR?对于大多数工程师而言,答案很明显:可以查看供货商的数据表参数,以及ESR与频率的关系图。信誉良好的供货商会提供详细的ESR规格,不仅标明数值,还会解释清楚它们是如何确定。


如果想自己测量ESR,这可不太容易。《微波(Microwave Journal)》杂志上有一篇题为「The Methods and Problems of Capacitor ESR Measurement(电容ESR测量的方法和问题)」的文章,详细介绍了可对ESR进行测量的长期且可接受的方式及其局限性,也提供了一个较为先进的技巧。不同供货商可能会使用不同的方法,无论尝试哪种方法,都需要考虑测试和仪器的许多细微之处,因为在处理GHz和更高频率的讯号和分量时总会遇到这种情况。


在设计中有没有因ESR过大而受到影响的情况?有没有试过深入研究你用过的某个特定电容ESR的详细情况,或试图自己测量ESR?请分享你的经历和想法。


(参考原文: Don't let ESR waste power and cook capacitors,by Bill Schweber)


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