電容的等效串聯(lián)電阻ESR
普遍的觀點(diǎn):一個等效串聯(lián)電阻(ESR)很小的相對較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時的峰值(紋波)電流。
但是,有時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)壓器就是一個放大器,放大器可能出現(xiàn)的各種情況它都會出現(xiàn)。
由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度相對較慢,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減緩相對于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的快速轉(zhuǎn)換,同時用高頻電容減緩相對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)換時將引起輸入電壓降低。電壓下降過程可能持續(xù)數(shù)毫秒,時間長短主要取決于穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)增益和提供較大負(fù)載電流的時間。
用 ESR 大的電容并聯(lián)比用 ESR 恰好那么低的單個電容當(dāng)然更具成本效益。然而,這需要在 PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。
深入理解電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)
電容器的主要技術(shù)指標(biāo)有電容量、耐壓值、耐溫值。除了這三個主要指標(biāo)外,其他指標(biāo)中較重要的就是等效串聯(lián)電阻(ESR)了。
有的電容器上有一條金色的帶狀線,上面印有一個大大的空心字母“I”,它表示該電容屬于LOW ESR低損耗電容。有的電容還會標(biāo)出ESR值(等效串聯(lián)電阻),ESR越低,損耗越小,輸出電流就越大,電容器的品質(zhì)越高。ESR 是Equivalent Series Resistance的縮寫,即“等效串聯(lián)電阻”。
理想的電容自身不會有任何能量損失,但實(shí)際上,因?yàn)橹圃祀娙莸牟牧嫌须娮瑁娙莸慕^緣介質(zhì)有損耗。這個損耗在外部,表現(xiàn)為就像一個電阻跟電容串聯(lián)在一起,所以就稱為“等效串聯(lián)電阻”。
和ESR類似的另外一個概念是ESL,也就是等效串聯(lián)電感。早期的卷制電感經(jīng)常有很高的ESL,容量越大的電容,ESL一般也越大。ESL經(jīng)常會成為ESR的一部分,并且ESL會引起串聯(lián)諧振等現(xiàn)象。
但是相對電容量來說,ESL的比例很小,出現(xiàn)問題的幾率很小,后來由于電容制作工藝的提高,現(xiàn)在已經(jīng)逐漸忽略ESL,而把ESR作為除容量、耐壓值、耐溫值之外選用電容器的主要參考因素了。
串聯(lián)等效電阻ESR的單位是毫歐(mΩ)。通常鉭電容的ESR通常都在100毫歐以下,而鋁電解電容則高于這個數(shù)值,有些種類電容的 ESR甚至?xí)哌_(dá)數(shù)歐姆。
ESR的高低,與電容器的容量、電壓、頻率及溫度都有關(guān)系,當(dāng)額定電壓固定時,容量愈大 ESR愈低。同樣當(dāng)容量固定時,選用高的額定電壓的品種也能降低 ESR;故選用耐壓高的電容確實(shí)有許多好處;低頻時ESR高,高頻時ESR低;高溫也會造成ESR的升高。
現(xiàn)在電子技術(shù)正朝著低電壓高電流電路的設(shè)計(jì)方向發(fā)展,供應(yīng)給元器件的電壓呈現(xiàn)越來越低的趨勢,但對功率的要求卻絲毫沒有降低。按P=UI的公式來計(jì)算,要獲得同樣的功率,電壓降低了,那就必須得增大電流。
例如INTEL、AMD的最新款CPU,電壓均小于2V,和以前3、 4V的電壓相比低得多。但另一方面這些芯片由于晶體管和頻率的激增,需求的功耗卻是增大了許多,對電流的要求就越來越高了。
例如兩顆功率都是70W的 CPU,前者電壓是3.3V,后者電壓是1.8V。那么,前者的電流I=P/U=70W/3.3V=21.2A;而后者的電流I=P/U=70W /1.8V=38.9A,將近是前者電流的兩倍。
在通過電容的電流越來越高的情況下,假如電容的ESR值不能保持在一個較小的范圍,那么就會產(chǎn)生更高的紋波電壓(理想的輸出直流電壓應(yīng)該是一條水平線,而紋波電壓則是水平線上的波峰和波谷),因此就促使工程師在設(shè)計(jì)時,要使用最小的ESR電容器。
ESR值與紋波電壓的關(guān)系可以用公式V=R(ESR)×I表示。這個公式中的V就表示紋波電壓,而R表示電容的ESR,I表示電流。可以看到,當(dāng)電流增大的時候,即使在ESR保持不變的情況下,紋波電壓也會成倍提高,因此采用更低ESR值的電容是勢在必行的。此外,即使是相同的紋波電壓,對低電壓電路的影響也要比在高電壓情況下更大。
例如對于3.3V的CPU而言,0.2V紋波電壓所占比例較小,不足以形成很大的影響,但是對于1.8V的CPU,同樣是0.2V的紋波電壓,其所占的比例就足以造成數(shù)字電路的判斷失誤。
例如《電子報(bào)》--《由NCP1200構(gòu)成的12V、1A開關(guān)電源》的文章中,對開關(guān)變壓器次級二極管整流后的LCπ型濾波器中電容C6、C7的要求就是“要選用等效串聯(lián)電阻小的優(yōu)質(zhì)電解電容,等效電阻不僅會影響轉(zhuǎn)換率還會影響輸出紋波電壓。”
ESR 是等效“串聯(lián)”電阻,將兩個電容串聯(lián),會使ESR值增大,而并聯(lián)則會使之減小。因此在需要更低ESR的場合,而低ESR的大容量電容價(jià)格又相對昂貴的情況下,用多個ESR相對高的鋁電解電容并聯(lián),形成一個低ESR的大容量電容也是一種常用的辦法。很多開關(guān)電源采取的電容并聯(lián)的策略,以犧牲一定的PCB空間,換來器件成本的減少。
不過一定等效串聯(lián)電阻的存在也有好的方面。比如在穩(wěn)壓電路中,有一定ESR的電容,在負(fù)載發(fā)生瞬變的時候,會立即產(chǎn)生波動而引發(fā)反饋電路動作,這個快速的響應(yīng),以犧牲一定的瞬態(tài)性能為代價(jià),獲取了后續(xù)的快速調(diào)整能力,尤其是功率管的響應(yīng)速度比較慢,而且在電容器的體積、容量受到嚴(yán)格限制的情況。這種情況多見于一些使用MOS管做調(diào)整管的三端穩(wěn)壓器或相似的電路中,采用太低的ESR電容器反而會降低整體的性能。
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