記得在學校時,我們從電氣工程基礎課上瞭解到,理想的電容是一個簡單的基本電抗元件。它很容易用容抗來表達:

XC=1/(2π fC)

其中f是頻率,C是電容值。然後,在一些(但不是全部)課程中,剝去理想的外衣之後,會瞭解到現實並不是那麼簡單。理想電容在現實世界中有一個重要參數,稱為等效串聯電阻(ESR),它可以量化電容對RF電流的有效電阻RS

ESR參數實際上受到多個因素的影響,包括電極和端子引線,以及電介質、板材料、電解質溶液等,所有這些都跟特定頻率有關。如果從實際串聯電阻、漏電電阻和介質損耗角度來看,ESR從一個僅與理想電容串聯的電阻,變為更複雜的元件,如圖1所示。請注意,實際的電容也會產生互補寄生自感,稱為等效串聯電感或ESL,但這又是另一回事了,這裡先不討論。

20180823TA01P1 圖1 理論電容(theoretical capacitor)是一個簡單的電抗元件,但由於歐姆串聯電阻、洩漏電阻和介質損耗,實際電容會帶有等效串聯電阻。(資料來源:QuadTech)

為什麼要擔心ESR?對於基本的直流電路,ESR可能影響不大。但是,當設計開關電源或RF電路時,ESR顯然會影響設計,以及電路的實際性能。ESR會移位並降低電容工作電路的諧振,以及電路的品質因數Q。ESR跟頻率有關,顯然也受到電容類型、材料、結構和電容值等諸多因素的影響,如圖2所示。

20180823TA01P2 圖2 ESR受許多因素的影響,包括工作頻率及電容材料和類型。(資料來源:Murata)

ESR不僅僅影響電路性能,作為一個「電阻」,它還會產生熱功耗P,這是流過電容的電流函數,用公式表示為P=I2RS。ESR不僅浪費電能(多數情況下由能源消耗和工作時間決定),而且這種能耗會增加系統的熱負荷,即使它不會給系統造成負擔,也可能很快超出電容本身的熱額定值。例如,一個基本的0.47μF電容在1GHz時的平均ESR約為0.1Ω,其功耗約為75mW,視電路和系統的具體情況,以及電容額定參數的不同,這樣的功耗也許不算什麼,但也可能影響重大。

顯而易見的問題是如何確定ESR?對於大多數工程師而言,答案很明顯:可以查看供應商的資料表參數,以及ESR與頻率的關係圖。信譽良好的供應商會提供詳細的ESR規格,不僅標明數值,還會解釋清楚它們是如何確定。

如果想自己測量ESR,這可不太容易。《微波(Microwave Journal)》雜誌上有一篇題為「The Methods and Problems of Capacitor ESR Measurement(電容ESR測量的方法和問題)」的文章,詳細介紹了可對ESR進行測量的長期且可接受的方式及其侷限性,也提供了一個較為先進的技巧。不同供應商可能會使用不同的方法,無論嘗試哪種方法,都需要考慮測試和儀器的許多細微之處,因為在處理GHz和更高頻率的訊號和分量時總會遇到這種情況。

在設計中有沒有因ESR過大而受到影響的情況?有沒有試過深入研究你用過的某個特定電容ESR的詳細情況,或試圖自己測量ESR?請分享你的經歷和想法。

(參考原文: Don't let ESR waste power and cook capacitors,by Bill Schweber)