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为什么要担心等效串联电阻(ESR)浪费电能并损耗电容器

记得还在学校时,我们从电气工程基础课上了解到,理想的电容器是一个简单的基本电抗元件。它很容易用容抗来表达:

XC = 1/(2πfC)

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,我们了解到现实并不是那么简单。理想电容器在现实世界中有一个重要参数,称为等效串联电阻(ESR),它可以量化电容器对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便从一个仅与理想电容串联的电阻,变为更复杂的元件,如图1所示。请注意,实际的电容器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。

为什么要担心等效串联电阻(ESR)浪费电能并损耗电容器

图1:理论电容器是一个简单的电抗元件,但由于欧姆串联电阻、泄漏电阻和介质损耗,实际电容器会带有等效串联电阻。(图片由QuadTech公司提供)

我们为什么要担心ESR?对于基本的直流电路,ESR可能影响不大。但是,当您设计开关电源或RF电路时,ESR显然会影响你的设计,以及电路的实际性能。ESR会改变并降低电容器工作电路的谐振以及电路的品质因数Q。ESR跟频率有关,显然也受到电容器类型、材料、结构和电容值等诸多因素的影响,如图2所示。 

为什么要担心等效串联电阻(ESR)浪费电能并损耗电容器

图2:ESR受许多因素的影响,包括工作频率及电容器材料和类型(图片由Murata提供)。

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的函数,用公式表示为P = I2RS。ESR不仅浪费电能(多数情况下由能耗和工作时间决定),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,以及电容器额定参数的不同,这样的功耗也许不算什么,但也可能影响重大。

显而易见的问题是你如何确定ESR?对于大多数工程师而言,答案很明显:您可以查看供应商的数据表参数,以及ESR与频率的关系图。信誉良好的供应商会提供详细的ESR规格,不仅标明数值,还会解释清楚它们是如何确定的。如果你想自己测量ESR,这可不太容易。《微波》杂志(Microwave Journal)上有一篇题为“电容器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,也给出了一个较为先进的技巧。不同供应商可能会使用不同的方法。无论你尝试哪种方法,都需要考虑测试和仪器的许多细微之处,因为在处理GHz和更高频率的信号和分量时总会遇到这种情况。你在设计中有没有因ESR过大而受到影响的情况?你有没有试过深入研究你用过的某个特定电容器的ESR的详细情况,或试图自己测量ESR?请分享你的经历和想法。

原文刊登在EDN美国网站,参考链接:Don't let ESR waste power and cook capacitors。

《电子技术设计》2018年8月刊版权所有,禁止转载。

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