[专业名词·硬件] 1等效串联电阻ESR概述及稳压电路中带有一定量ESR电容的好处

Posted 2020-06-13

 

 

一、等效串联电阻ESR概述 

　　ESR是Equivalent Series Resistance的缩写，即“等效串联电阻”。理想的电容自身不会有任何能量损失，但实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串联在一起，所以就称为“等效串联电阻”。有的电容还会标出ESR值（等效串联电阻），ESR越低，损耗越小，输出电流就越大，电容器的品质越高。

 

二、ESR的成因分析

　　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。

 

三、选用低ESR电容的原因

　　现在电子技术正朝着低电压高电流电路的设计方向发展，供应给元器件的电压呈现越来越低的趋势，但对功率的要求却丝毫没有降低。按P=UI的公式来计算，要获得同样的功率，电压降低了，那就必须得增大电流。例如INTEL、AMD的最新款CPU，电压均小于2V，和以前3、 4V的电压相比低得多。但另一方面这些芯片由于晶体管和频率的激增，需求的功耗却是增大了许多，对电流的要求就越来越高了。例如两颗功率都是70W的CPU，前者电压是3.3V，后者电压是1.8V。那么，前者的电流I=P/U=70W/3.3V=21.2A；而后者的电流I=P/U=70W/1.8V=38.9A，将近是前者电流的两倍。在通过电容的电流越来越高的情况下，假如电容的ESR值不能保持在一个较小的范围，那么就会产生更高的纹波电压（理想的输出直流电压应该是一条水平线，而纹波电压则是水平线上的波峰和波谷）,因此就促使工程师在设计时，要使用最小的ESR电容器。　　

　　ESR值与纹波电压的关系可以用公式V=R（ESR）×I表示。这个公式中的V就表示纹波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。ESR较高的电容，随着内部发热越来越严重，电解液干枯的速度加快，形成恶性循环，并导致电路故障。可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高，因此采用更低ESR值的电容是势在必行的。

 

四、一定量ESR的好处

　　不过一定等效串联电阻的存在也有好的方面。比如在稳压电路中，有一定ESR的电容，在负载发生瞬变的时候，会立即产生波动而引发反馈电路动作，这个快速的响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价，获取了后续的快速调整能力，尤其是功率管的响应速度比较慢，而且在电容器的体积、容量受到严格限制的情况。这种情况多见于一些使用MOS管做调整管的三端稳压器或相似的电路中，采用太低的ESR电容器反而会降低整体的性能。

 

五、ESR的变化因素

　　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；2）电解溶液的干枯。　　

　　对于1）新、旧电解电容都有可能出现；

　　对于2）多数都是发生在旧电解电容上。　　

　　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，而且一直以来铝是不可焊的材料。　　

　　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。随着电解液水分的挥发，ESR也随之增大。

 

本文有助于：ESR理解（第一节）、ESR好处及稳压电路中ESR电容的好处（第四节，一般用的0402、0603基本都是陶瓷电容，稳压电路用电解电容，不过随着技术的进步有些新的稳压芯片对电容ESR没太大要求）^{very important point!}