電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）詳解-KIA MOS管

電容的等效串聯(lián)電阻ESR

普遍的觀點(diǎn)：一個(gè)等效串聯(lián)電阻（ESR）很小的相對(duì)較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時(shí)的峰值（紋波）電流。

但是，有時(shí)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(gè)放大器，放大器可能出現(xiàn)的各種情況它都會(huì)出現(xiàn)。

由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度相對(duì)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(duì)于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的快速轉(zhuǎn)換，同時(shí)用高頻電容減緩相對(duì)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(jí)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(shí)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(shí)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(shí)間。

用 ESR 大的電容并聯(lián)比用 ESR 恰好那么低的單個(gè)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(gè)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(gè)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(huì)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(huì)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(gè)損耗在外部，表現(xiàn)為就像一個(gè)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(gè)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(huì)成為ESR的一部分，并且ESL會(huì)引起串聯(lián)諧振等現(xiàn)象。

但是相對(duì)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(gè)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(shí)，容量愈大 ESR愈低。同樣當(dāng)容量固定時(shí)，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(shí)ESR高，高頻時(shí)ESR低；高溫也會(huì)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(shì)，但對(duì)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(duì)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(gè)較小的范圍，那么就會(huì)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(shí)，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(gè)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(shí)候，即使在ESR保持不變的情況下，紋波電壓也會(huì)成倍提高，因此采用更低ESR值的電容是勢(shì)在必行的。此外，即使是相同的紋波電壓，對(duì)低電壓電路的影響也要比在高電壓情況下更大。

例如對(duì)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(duì)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(duì)開關(guān)變壓器次級(jí)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(huì)影響轉(zhuǎn)換率還會(huì)影響輸出紋波電壓。”

ESR 是等效“串聯(lián)”電阻，將兩個(gè)電容串聯(lián)，會(huì)使ESR值增大，而并聯(lián)則會(huì)使之減小。因此在需要更低ESR的場(chǎng)合，而低ESR的大容量電容價(jià)格又相對(duì)昂貴的情況下，用多個(gè)ESR相對(duì)高的鋁電解電容并聯(lián)，形成一個(gè)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(shí)候，會(huì)立即產(chǎn)生波動(dòng)而引發(fā)反饋電路動(dòng)作，這個(gè)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(huì)降低整體的性能。

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電容等效串聯(lián)電阻 ESR