【电容十说】之六：硬件工程师不能轻易忽略的电容ESR问题

时间：2021-09-06 15:22:35

关键字：电容

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关于电容的参数，我们将其分为“看得到的”和“看不到的”。所谓“看得到的”，就是印在电容表面的一些基本参数，这些参数在我们看到一颗电容之后往往可以直接得知。例如电容的容量（比如“470μF”等等）、容量偏差范围、耐温范围、电压值（比如“16V”）。

所谓“看不到的”参数，就是我们需要根据电容的型号来查询的参数。例如我们常说的ESR值，如今已成为区别电容性能的重要参数，而我们在电容上是看不到这个参数的，我们得去相关的网站通过电容的型号来查询。类似的参数还有不少，其中包括ESR：

一：ESR的定义

ESR是Equivalent Series Resistance三个单词的缩写，翻译过来就是“等效串联电阻”。

理论上，一个完美的电容，自身不会产生任何能量损失，但是实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗，各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串联在一起，所以就起了个名字叫做“等效串联电阻”。

同样的，在振荡电路等场合，ESR也会引起电路在功能上发生变化，引起电路失效甚至损坏等严重后果。所以在多数场合，低ESR的电容，往往比高ESR的有更好的表现。

任何一个电容都会存在ESR，在电容电极之间始终都存在着一个电气性的电阻，如金属引脚电阻、电极极板电阻、以及它们之间的连接电阻等等。
　　

铝电解电容还包括存在于湿的电解质溶液的电阻、以及含有高电平“水”的铝氧化物（水合氧化铝）中的电阻等。

下图表示了电解电容ESR的形成因素。

通常，为了便于分析电容的ESR，一般采用下图的简化方式来表示：

二：导致ESR变化的因素

首先，管脚引脚和电容电极极板金属的电阻可以忽略，因为它们都非常小。

造成高ESR的两个常见因素是：

1）不良的电气连接：新、旧电解电容都有可能出现

2）电解溶液的干枯：多数都是发生在旧电解电容上

对于铝质的电极极板材料和铜质的管脚材料来说，其电气连接主要采用所谓的“焊接”和机械压接方式。但是这两种方式都会产生较高的ESR。

不良的电气连接问题主要是由于连接于电容内部的管脚引线不是铝金属材料，而且铝是不可焊的材料。

随着电解液水分的挥发，ESR也随之增大。

三：ESR与电解电容的漏电相关

漏电是电容电极极板之间的并联电阻。而ESR仅仅是串联电阻，所以两者是完全不同的，即ESR是与漏电无关的。

　　相反，当ESR较大时，可以减少漏电电流。

四：ESR的影响

ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。

比如，理想电容的两端电压不能突变，当突然对电容施加一个电流，电容因为自身充电，电压会从0开始上升。由于ESR的影响，电阻自身会产生一个压降，这就导致了电容器两端的电压会产生突变。

由此可见，这样降低会电容的滤波效果，所以很多高质量的电源，都使用低ESR的电容器。

同样的，在振荡电路中，ESR可能会导致电路在功能上发生变化，引起电路失效甚至损坏等严重后果。

所以在多数场合，低ESR的电容，往往比高ESR的有更好的表现。

针对电容器的ESR的选择，可以参考如下原则：

1、多只并联，确实可以降低ESR 具体计算方法，跟电阻并联的。

2、可以选择低ESR的电解，不过价格比较贵。

3、也可以选择薄膜电容代替。

五：ESR与频率之间的关系

如假设角频率为ω，电容器的静电容量为C，则理想状态下电容器的阻抗Z可用公式(1)表示。

Z=1/jωC

由上面公式可看出，阻抗大小|Z|如下图所示，与频率呈反比趋势減少。由于理想电容器中无损耗，故等价串联电阻(ESR)为零。

实际中，|Z|的频率特性如下图所示呈V字型（部分电容器可能会变为U字型）曲线，ESR也显示出与损耗值相应的频率特性。

　　|Z|和ESR变为曲线的原因如下：

1、低频率范围：低频率范围的|Z|与理想电容器相同，都与频率呈反比趋势减少。ESR值也显示出与电介质分极延迟产生的介质损耗相应的特性。

2、共振点附近：频率升高，则|Z|将受寄生电感或电极的比电阻等产生的ESR影响，偏离理想电容器（红色虚线），显示值。|Z|为值时的频率称为自振频率，此时|Z|=ESR。若大于自振频率，则元件特性由电容器转变为电感，|Z|转而增加。低于自振频率的范围称作容性领域，反之则称作感性领域。

ESR除了受介电损耗的影响，还受电极自身抵抗行程的损耗影响。

高频范围：共振点以上的高频率范围中的|Z|的特性由寄生电感(L)决定。高频范围的|Z|可由公式(2)近似得出，与频率成正比趋势增加。

ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响。

重要的是，频率越高，就越不能忽视寄生成分ESR或ESL的影响。随着电容器在高频领域的应用越来越多，ESR和ESL与静电容量值一样，成为表示电容器性能的重要参数。

六：ESR与功率之间的关系

当电容需要承载很大电流的时候即使在工作频率较低的情况下也容易出现问题。比如在一些大电流开关电源里。

例如，一只工作在60Hz、5A电源里的20000微法的电容，假设它的ESR为0.5欧姆，那么按照欧姆定律P=I×I×R，则电容内部将12.5W的功率消耗，由此而产生的热量将加速电解液的干枯并使得电容失效。

而ESR也会降低滤波效果。如5V的TTL供电回路里如果存在0.5欧姆的电阻的话，将会产生高达2V的纹波电压，相当于纹波电压达到40％的程度。

如果电容工作在高频高电流电路中，情况将更为严重。

七：ESR与温度的关系

ESR的温度特性与电容器的电极材料、电解质和绝缘材料有关，ESR温度特性便是电容器各部分材料的温度特性的叠加。铝电解电容器的ESR由电解液电阻、负极极板的氧化铝电阻、铝板和阴阳箔电阻影响。其中电解液的电阻率随着温度的升高而降低，氧化铝、铝板和阳极箔的电阻随着温度的升高而增加。所以他们叠加的效果，随着环境温度的升高电解电容器的ESR将会减小。

八：ESR也有“正能量”

有时候ESR也有好处。例如，在稳压电路中，有一定的ESR电容器，当负载瞬变时，会立即产生波动，从而引发反馈电路运行，这种快速响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价，获得后续的快速调节能力，特别是当功率管的响应速度较慢，且电容器的体积/容量受到严格限制时。

ESR是等效“串联”电阻，意味着，将两个电容串联，会增大这个数值，而并联则会减少之。

实际上，需要更低ESR的场合更多，而低ESR的大容量电容价格相对昂贵，所以很多开关电源采取的并联的策略，用多个ESR相对高的铝电解并联，形成一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB空间，换来器件成本的减少，很多时候都是划算的。

和ESR类似的另外一个概念是ESL，也就是等效串联电感。早期的卷制电容经常有很高的ESL，而且容量越大的电容，ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分，并且ESL也会引发一些电路故障，比如串联谐振等。但是相对容量来说，ESL的比例太小，出现问题的几率很小，再加上电容制作工艺的进步，现在已经逐渐忽略ESL，而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。

顺便，电容也存在一个和电感类似的品质系数Q，这个系数反比于ESR，并且和频率相关，也比较少使用。

九：总结说明

普遍的观点是：一个等效串联电阻（ESR）很小的相对较大容量的外部电容能很好地吸收快速转换时的峰值（纹波）电流。但是，有时这样的选择容易引起稳压器（特别是线性稳压器 LDO）的不稳定，所以必须合理选择小容量和大容量电容的容值。永远记住，稳压器就是一个放大器，放大器可能出现的各种情况它都会出现。

由于 DC/DC 转换器的响应速度相对较慢，输出去耦电容在负载阶跃的初始阶段起主导的作用，因此需要额外大容量的电容来减缓相对于 DC/DC 转换器的快速转换，同时用高频电容减缓相对于大电容的快速变换。通常，大容量电容的等效串联电阻应该选择为合适的值，以便使输出电压的峰值和毛刺在器件的Dasheet 规定之内。

高频转换中，小容量电容在 0.01μF 到0.1μF 量级就能很好满足要求。表贴陶瓷电容或者多层陶瓷电容（MLCC）具有更小的 ESR。另外，在这些容值下，它们的体积和 BOM 成本都比较合理。如果局部低频去耦不充分，则从低频向高频转换时将引起输入电压降低。电压下降过程可能持续数毫秒，时间长短主要取决于稳压器调节增益和提供较大负载电流的时间。

用 ESR 大的电容并联比用 ESR 恰好那么低的单个电容当然更具成本效益。然而,这需要你在 PCB 面积、器件数目与成本之间寻求折衷。

End

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