ESR—Equivalent Series Resistance
理论上,一个完美的电容本身不会产生任何能量损失,但事实上,由于制造电容器的材料有电阻,电容器的绝缘介质丢失,电容器由于各种原因变得不可用“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,所以有一个名字叫做“等效串联电阻”。
例如,我们认为电容器上的电压不能突变。当电容器突然向电容器施加电流时,电容器身充电而从0开始上升。但是有了ESR,电阻本身会产生压降,导致电容器两端的电压突变。毫无疑问,这会降低电容滤波因此,许多高质量的电源都使用低质量的电源ESR的电容器。
同样的,在振荡电路等场合,ESR还会导致电路功能变化、电路故障甚至损坏等严重后果。
所以在大多数情况下,低ESR电容往往比高ESR性能更好。
但也有例外,有时候,这个ESR它也被用来做一些有用的事情。
比如在稳压电路中,有一定ESR的电容,在负载瞬变发生时,会立即波动并引起反馈电路动作,这种快速响应,以牺牲一定的瞬态性能为代价,获得了后续的快速调整能力,特别是功率管响应速度慢,电容器体积大/当容量受到严格限制时。在某些使用中可以看到这种情况mos管道用于调节管道的三端稳压或类似电路。这时,太低了ESR反而会降低整体性能。
- 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。
由ESR引发的电路故障通常很难检测,而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。简单的做法是,在仿真的时候,如果无法选择电容的具体参数,可以尝试在电容上人为串联一个小电阻来模拟ESR的影响,通常的,钽电容的ESR通常都在100毫欧以下,而铝电解电容则高于这个数值,有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。
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。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。