为什么低ESR在电容器设计中很重要

实用的电容器是一种非理想元件。其电路模型包含串联电感（ESL）和串联电阻（ESR）。虽然等效串联电阻通常在电路模型中显示为一个恒定值，但它会根据工作条件而变化。ESR 是特定操作条件下能量损失机制组合的阻力。

电容器内的一些能量损失可归因于导体，而另一些则涉及介电材料。这些损耗主要取决于电压和温度。最常见的能量损耗机制包括介电损耗、铁电体损耗、介电传导损耗、界面极化、局部放电损耗、欧姆电阻损耗、导体之间的火花、机电损耗和涡流损耗。

连同其电容值，ESR 定义了电容器充电和放电的时间常数，从而定义了电容器对电压/电流变化/纹波的反应速度。在实际的平滑应用中，电容器技术是并联组合的，其中高电容部件负责大容量滤波（铝或钽电容器），而具有低 ESR 的小型 MLCC 电容器负责快速、高频尖峰。

注意：最低 ESR 电容器并不总是最佳选择。在某些应用（例如反馈电容器）中，电容器的 ESR 过低最终可能会导致运算放大器在工作条件之外振荡出现一些问题。LDO 型电路对电容器 ESR 范围也非常敏感（包括 ESR 随温度的变化！），过去强烈建议将钽电容器与 LDO 一起使用，而不是与 ESR 值过低的 MLCC 一起使用。这些问题是老一代 IC 的典型问题，随着设计架构和组件不断改进的最新 IC，对电容器 ESR 值的敏感度明显降低。

电容器中的能量损失机制

介电损耗
不同的介电材料在施加或移除电压时响应不同。介电损耗与介电材料如何响应电压而极化或松弛有关。这些损耗的大小取决于温度和频率。耗散因数 (DF) 通常用于描述材料的介电损耗。电容器的耗散因数和等效串联电阻取决于电极及其配置。在薄膜电容器中，介电损耗是影响整体等效串联电阻的主要因素。

介电损耗

介电传导损耗是指由电荷在介电材料上的实际移动引起的损耗。这些损耗往往在高温和低频时最大。在某些电容器中，例如 MLCC II 类电容器，介电传导损耗很大程度上取决于施加的电压。

欧姆电阻损耗
电容器的金属端子、电极和内部布线呈现电阻。这种能量损失不会随温度和频率显着变化。然而，在高频下，电极中的趋肤深度效应变得显着。尽管在低电流应用中发生在端子和内部布线中的欧姆电阻损耗是微不足道的，但在高电流应用中不应忽视它们。

铁电磁滞损耗

一些高介电常数材料表现出强烈依赖于施加电压的损耗。这些损耗称为铁电磁滞损耗，它们发生在内部极化场和外加场具有相同幅度时。这种情况会导致介电材料饱和。具有如此高介电常数材料的电容器表现出对电压反转、永久极化和电容随电压变化的敏感性。铁电磁滞损耗在采用高介电常数材料的陶瓷电容器中很常见。

界面极化损耗
大多数高压电容器的介电系统至少有两种不同的材料。这些材料中的每一种都具有不同的介电常数和传导特性。当施加直流电压时，这种性质的差异会导致电荷在此类材料的内部界面处积累。界面极化损耗在低频高压电容器中很常见。

局部放电损耗
一些电容器在电压变化率很高时会出现局部放电。这种能量损失机制被称为局部放电损失，在充气电容器和液体电容器中很常见，尤其是在高压下。电压反转也可能导致局部放电损耗。

涡流
在电容器中，涡流损耗很大程度上取决于频率。在大多数应用中，这种能量损失机制影响不大，通常被忽略。然而，在脉冲形成网络中，涡流损耗具有显着影响，应予以考虑。

火花
在某些电容器中，放电过程中会发生火花。火花主要发生在相邻的金属表面之间，它是脉冲电容器中常见的能量损失机制。这种能量损失机制取决于电压和频率。

机电损耗
在大多数电容器中，机电损耗主要发生在介电材料和内部布线中。在介电材料中，机电损耗主要是由电致伸缩引起的。在某些情况下，它可能是由压电效应引起的。在内部布线中，洛伦兹力会导致弯曲。发生这种情况时，会导致能量损失。

陶瓷电容器中的 ESR

等效串联电阻是为电子电路选择陶瓷电容器时要考虑的最重要参数之一。在陶瓷电容器中，该参数是金属元素和介电材料中发生的损耗的总和。许多应用需要具有低 ESR 的陶瓷电容器。因此，在为您的电路选择陶瓷电容器时考虑此参数至关重要。

陶瓷电容器的介电损耗主要取决于微观结构因素、介电配方和杂质浓度。孔隙率、形态和晶粒尺寸是决定等效串联电阻的主要微观结构因素。损耗因数因一种介电材料而异。过多的损耗会导致电介质发热，从而导致热击穿和电容器故障。在陶瓷电容器中，介电损耗在低频时占主导地位。在高频下，这些损耗会减少，它们对整体 ESR 的贡献可以忽略不计。

金属损耗包括欧姆电阻损耗和集肤效应。在陶瓷电容器中，金属损耗主要取决于材料和结构的特性。趋肤效应是陶瓷电容器电极和端子中常见的能量损失机制。这种能量损失机制是频率相关的。过多的金属损耗会导致陶瓷电容器发热和热击穿。与介电损耗不同，金属损耗在高频下占主导地位。

高 ESR 值会导致过多的功率损耗和缩短电池寿命。在耦合和旁路应用中使用低损耗电容器有助于延长便携式电子设备的电池寿命。在射频功率放大器中，使用低损耗陶瓷电容器很容易获得高效率和增加的功率输出。使用高 ESR 电容器会降低效率，因为很大一部分功率以 ESR 损耗的形式浪费掉。

低损耗电容器散发的热量更少。使用此类组件使电路设计人员能够管理电子电路中的热问题。在高射频应用中，使用高 ESR 陶瓷电容器会导致过热。在低噪声放大器中，低 ESR 电容器用于提高效率和有效增益。

1 类陶瓷电介质在非常高的频率下具有出色的稳定性和低功耗。它们通常用于需要低损耗电容器的应用中。另一方面，2 类陶瓷电介质具有更高的损耗，但提供高电容/体积效率。

钽电容器中的 ESR 钽电容器
的阳极是由钽金属粉末烧结颗粒制成的。然而，箔式钽电容器（不再那么常用）使用一条箔片。一层氧化物用作绝缘体，其厚度决定了电容器的额定电压。二氧化锰或导电聚合物是固体钽电容器中用于覆盖氧化层的第二导体。在箔式电容器的情况下，电解质是第二导体。在固体钽电容器和箔式电容器中，都使用了额外的材料来制作端子。

在钽电容器中，等效串联电阻的主要贡献者是接触材料和氧化物绝缘体中的损耗。在高频下，与接触材料损耗相比，氧化物绝缘体损耗不那么显着。然而，在低频下，氧化物绝缘体损耗更为显着。

钽电容器中的氧化物损耗随温度升高而略有增加。相比之下，二氧化锰的电阻随着温度的升高而降低。此外，二氧化锰电阻损失因制造程序而异，分析起来很复杂。与 MnO2 传统类型相比，导电聚合物钽具有更低的欧姆电阻损耗 - 更低的 ESR，并且它几乎没有 ESR 随温度的变化，这与 MnO2 不同，MnO2 在负温度下的 ESR 可能比那些聚合物高 10 倍左右。

在低频，特别是低于 1 Hz 的频率下，介电吸收和泄漏电流具有显着影响，应予以考虑。通常，在典型的钽电容器中，ESR 会随着频率的增加而降低。ESR 以多种方式影响钽电容器的性能。首先，它的电阻效应会导致电容器发热。其次，ESR 会增加电路中的阻抗，从而使钽电容器在去耦和滤波应用中的效果降低。

铝电解电容器中的 ESR
对于中高压应用，需要低损耗铝电解电容器。与高 ESR 电容器相比，低 ESR 电容器具有更少的功率损耗和内部发热问题。除了降低性能外，高 ESR 值还会降低铝电解电容器的寿命。此外，低 ESR 值可以实现更大的纹波电流容量。

在铝电解电容器中，铝阳极、阴极箔、电解质和极耳对电容器的整体 ESR 有贡献。每个来源的电阻值主要取决于频率和温度。在低频和低温下，氧化铝对整体 ESR 的贡献最大。另一方面，在高频和高温下，对整体 ESR 的最大贡献来自电解质。通常，在应用条件下，纸张组合和电解质是这些电容器中等效串联电阻的主要来源。

具有显着更低和更稳定 ESR 的聚合物和混合（聚合物和湿电解质组合）电极也可在市场上买到，它们解决了湿电解电容器的大部分缺点，降低了欧姆损耗、干涸效应（可靠性和稳定性提高） ) 和 ESR 温度依赖性。

铝电解电容器的 ESR 值取决于纸质隔膜的厚度和密度。为了最小化等效串联电阻，不建议使用更厚和更密集的隔膜。使用许多极耳和高导电率电解质材料有助于降低铝电解电容器中的 ESR。可以定制标签连接、箔和纸隔板，以产生对整体等效串联电阻的特定电阻贡献。

ESR 与频率电容器技术比较

ESR 主要用于表征较高频率域中的电容器损耗，标准参考频率为 100kHz。带有频率图的 ESR 说明了整个频谱中的损耗。如上所述，低于 1kHz 的低频损耗是由“较慢”的极化和介电层中的损耗驱动的，中频（~1kHz 至 10kHz）是由内部结构损耗（例如内部结构和电解质的电导率）驱动的， >100kHz 的高频主要由终端、触点等的欧姆损耗驱动。

参考图3。由于其多层结构，MLCC 电容器与标准规格频率 100kHz 的其他技术相比，具有最低的 ESR 值。这有利于平滑开关电源等应用的更高频率和快速尖峰。然而，在低频时，MLCC II 类电容器与其他技术相比具有更高的 ESR（和 DF）。因此，在实际示例中，如果存在低频尖峰（例如常见的 50-216Hz），将 MLCC 与一些铝或钽电解电容器并联使用会更有效。

结论

就像其他物理设备一样，电容器不是完美或理想的组件。用于制造电容器的材料具有有限的电阻。因此，电容器会为电路提供一些电阻。复阻抗的实部，即等效串联电阻，是电容器中发生的能量损失机制的总和。当设备在特定条件下运行时，这些小损失会变得很重要。

一些可以显着影响电容器行为的条件包括高电流、高频率和极端温度。虽然频率、电压和温度会影响电容器的性能，但只有频率会影响 ESR。因此，在设计电路时，设计工程师必须考虑电路的工作频率以及元件的温度。

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审核编辑：符乾江