電容的等效串聯(lián)電阻ESR
普遍的觀點(diǎn)是：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(lái)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(guò)程可能持續(xù)數(shù)毫秒，時(shí)間長(zhǎng)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,這需要你在 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(lái)說(shuō)，ESL的比例很小，出現(xiàn)問(wèn)題的幾率很小，后來(lái)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(lái)越低的趨勢(shì)，但對(duì)功率的要求卻絲毫沒(méi)有降低。按P=UI的公式來(lái)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(lái)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(guò)電容的電流越來(lái)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)》2007年第26期17版的《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(lái)器件成本的減少。
不過(guò)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。
多個(gè)小電容并聯(lián)取代大電解電容的作用
這種用法常見于開關(guān)電源部分，作用是高頻濾波。多個(gè)電容并聯(lián)主要是為了降低電容的等效阻抗，因?yàn)椴⒙?lián)。用小容量的陶瓷電容代替了電解電容，增加了壽命。電解電容的壽命只有幾千小時(shí)，而陶瓷電容的壽命有幾十萬(wàn)小時(shí)。防止趨附效應(yīng)的原理是增加導(dǎo)線的表面積。多個(gè)電容只能降低線路可靠性，而不可能增加大電容的高頻性能很差。通常電容越大，其諧振頻率越低。一旦超過(guò)諧振頻率，電容將表現(xiàn)成一個(gè)電感，完全起不到濾波的作用，如果用N個(gè)小電容并聯(lián)，由于每個(gè)小電容的諧振頻率都很高，就沒(méi)有這樣的問(wèn)題了，同樣容量的電容，并聯(lián)越多的小電容越好， 耐壓值、耐溫值、容值、ESR(等效電阻)等是電容的幾個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于ESR自然是越低越好。ESR與電容的容量、頻率、電壓、溫度等都有關(guān)系。當(dāng)電壓固定時(shí)候，容量越大，ESR越低。在板卡設(shè)計(jì)中采用多個(gè)小電容并連多是出與PCB空間的限制，這樣有的人就認(rèn)為，越多的并聯(lián)小電阻，ESR越低，效果越好。理論上是如此，但是要考慮到電容接腳焊點(diǎn)的阻抗，采用多個(gè)小電容并聯(lián)，效果并不一定突出。
●ESR越低，效果越好。
結(jié)合我們上面的提高的供電電路來(lái)說(shuō)，對(duì)于輸入電容來(lái)說(shuō)，輸入電容的容量要大一點(diǎn)。相對(duì)容量的要求，對(duì)ESR的要求可以適當(dāng)?shù)慕档汀Ｒ驗(yàn)檩斎腚娙葜饕悄蛪海浯问俏誐OSFET的開關(guān)脈沖。對(duì)于輸出電容來(lái)說(shuō)，耐壓的要求和容量可以適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c(diǎn)。ESR的要求則高一點(diǎn)，因?yàn)檫@里要保證的是足夠的電流通過(guò)量。但這里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR電容會(huì)引起開關(guān)電路振蕩。而消振電路復(fù)雜同時(shí)會(huì)導(dǎo)致成本的增加。板卡設(shè)計(jì)中，這里一般有一個(gè)參考值，此作為元件選用參數(shù)，避免消振電路而導(dǎo)致成本的增加。
●好電容代表著高品質(zhì)。
“唯電容論”曾經(jīng)盛極一時(shí)，一些廠商和媒體也刻意的把這個(gè)事情做成一個(gè)賣點(diǎn)。在板卡設(shè)計(jì)中，電路設(shè)計(jì)水平是關(guān)鍵。和有的廠商可以用兩相供電做出比一些廠商采用四相供電更穩(wěn)定的產(chǎn)品一樣，一味的采用高價(jià)電容，不一定能做出好產(chǎn)品。衡量一個(gè)產(chǎn)品，一定要全方位多角度的去考慮，切不可把電容的作用有意無(wú)意的夸大.
紋波電壓，輸出電容ESR
開關(guān)電源的輸出紋波電壓分兩部分組成，其一是由電容充放電產(chǎn)生的容性紋波電壓，其二為電容ESR產(chǎn)生的阻性紋波電壓。 為了得到較小的由ESR產(chǎn)生的阻性紋波電壓，聽說(shuō)可用多個(gè)電容并聯(lián)起來(lái)，不知道若干個(gè)電容并聯(lián)起來(lái)總的ESR具體如何變化，變小了我可以理解，但是變成什值了呢? 比如，一個(gè)470uF的電解電容的ESR為0.1歐，那兩個(gè)電解并聯(lián)起來(lái)ESR是不是就是0.05歐了，我現(xiàn)在有點(diǎn)疑問(wèn)，不知道用低ESR的陶瓷電容跟電解電容并聯(lián)起來(lái)，有沒(méi)有同樣的效果呢。比如，我輸出，經(jīng)過(guò)計(jì)算，紋波要求電容ESR低于0.01歐，那照前面的想法，可能需要好幾個(gè)的電解電容才能達(dá)到要求，如果我選擇使用一個(gè)電解電容，然后給它并聯(lián)若干個(gè)陶瓷電容103或者104，有沒(méi)有效果。
答：如果要求esr很低，一般是選擇大容量的MLCC(MULTILAYER CERAMIC CHIP CAPACITOR)，不必用N個(gè)104并聯(lián)。
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1 多只并聯(lián)，確實(shí)可以降低ESR 具體計(jì)算方法，跟電阻并聯(lián)的。
2 可以選擇低ESR的電解，不過(guò)價(jià)格比較貴。
3 也可以選擇薄膜電容代替。
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不同類型的電容并聯(lián)。等效的ESR和電容值都是跟頻率相關(guān)的。不是簡(jiǎn)單的ESR/n，C×n的。通常小ESR小容量的和大ESR，大容量的電容并聯(lián)。ESR和電容都介于二者之間。你說(shuō)的電解電容并低ESR的瓷片，對(duì)減小紋波是有效果的。
濾波電路 幾個(gè)電容并聯(lián)和一個(gè)大電容(容量相等)有什么不同嗎?
答：兩者電容容量是相等的。但是現(xiàn)實(shí)中電容是有等效串聯(lián)電感和等效串聯(lián)電阻寄生參數(shù)，一個(gè)電容可以看做下圖的模型，一個(gè)大電容的ESL和ESR是要比小容量的電容大的，而在同容量下ESL和ESR的數(shù)值越小電容的濾波能力就越強(qiáng)，所以多個(gè)電容并聯(lián)和一個(gè)容量相等的大電容的主要區(qū)別是，多個(gè)電容并聯(lián)的ESL和ESR要比一個(gè)容量相等大電容要低很多，濾波能力更強(qiáng)。你不妨先認(rèn)為小容量的電容(假設(shè)100u)的ESL和ESR跟大電容(200u)的ESL和ESR相等，然后兩個(gè)小電容并聯(lián)后其等效電容等于200u，但是其ESL和ESR因?yàn)椴⒙?lián)而減半，所以兩個(gè)小電容并聯(lián)的濾波能力更強(qiáng)。假如是此時(shí)四個(gè)并聯(lián)，那么ESL和ESR就是大電容的四分之一。希望能幫到你。
簡(jiǎn)談電容使用的誤區(qū)
1.電容容量越大越好?
很多人在電容的替換中往往愛(ài)用大容量的電容。我們知道雖然電容越大，為IC提供的電流補(bǔ)償?shù)哪芰υ綇?qiáng)。且不說(shuō)電容容量的增大帶來(lái)的體積變大，增加成本 的同時(shí)還影響空氣流動(dòng)和散熱。關(guān)鍵在于電容上存在寄生電感，電容放電回路會(huì)在某個(gè)頻點(diǎn)上發(fā)生諧振。在諧振點(diǎn)，電容的阻抗小。因此放電回路的阻抗最小，補(bǔ)充能量的效果也最好。但當(dāng)頻率超過(guò)諧振點(diǎn)時(shí)，放電回路的阻抗開始增加，電容提供電流能力便開始下降。電容的容值越大，諧振頻率越低，電容能有效補(bǔ)償電流的頻 率范圍也越小。從保證電容提供高頻電流的能力的角度來(lái)說(shuō)，電容越大越好的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，一般的電路設(shè)計(jì)中都有一個(gè)參考值的。
2.同樣容量的電容，并聯(lián)越多的小電容越好?
耐壓值、耐溫值、容值、ESR(等效電阻)等是電容的幾個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于ESR自然是越低越好。ESR與電容的容量、頻率、電壓、溫度等都有關(guān)系。當(dāng)電壓固定時(shí)候，容量越大，ESR越低。在板卡設(shè)計(jì)中采用多個(gè)小電容并連多是出與PCB空間的限制，這樣有的人就認(rèn)為，越多的并聯(lián)小電阻，ESR越低，效果越好。理論上是如此，但是要考慮到電容接腳焊點(diǎn)的阻抗，采用多個(gè)小電容并聯(lián)，效果并不一定突出。
3.ESR越低，效果越好?
相對(duì)容量的要求，對(duì)ESR的要求可以適當(dāng)?shù)慕档汀Ｒ驗(yàn)檩斎腚娙葜饕悄蛪海浯问俏誐OSFET的開關(guān)脈沖。對(duì)于輸出電容來(lái)說(shuō)，耐壓的要求和容量可以適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c(diǎn)。ESR的要求則高一點(diǎn)，因?yàn)檫@里要保證的是足夠的電流通過(guò)量。但這里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR電容會(huì)引起開關(guān)電路振蕩。而消振電路復(fù)雜同時(shí)會(huì)導(dǎo)致成本的增加。板卡設(shè)計(jì)中，這里一般有一個(gè)參考值，此作為元件選用參數(shù)，避免消振電路而導(dǎo)致成本的增加。
4.好電容代表著高品質(zhì)?
“唯電容論”曾經(jīng)盛極一時(shí)，一些廠商和媒體也刻意的把這個(gè)事情做成一個(gè)賣點(diǎn)。在板卡設(shè)計(jì)中，電路設(shè)計(jì)水平是關(guān)鍵。和有的廠商可以用兩相供電做出比一些廠商采用四相供電更穩(wěn)定的產(chǎn)品一樣，一味的采用高價(jià)電容，不一定能做出好產(chǎn)品。衡量一個(gè)產(chǎn)品，一定要全方位多角度的去考慮，切不可把電容的作用有意無(wú)意的夸大。
文章來(lái)源：會(huì)編程的魚的博客
