電容器ESR頻率特性

1、_【導(dǎo)讀】本文為解說(shuō)電容器基礎(chǔ)的技術(shù)專(zhuān)欄。通過(guò)電容器的阻抗大小|Z| 和等價(jià)串聯(lián)電阻(ESR)的頻率特性進(jìn)行闡述。了解電容器的頻率特性，可對(duì)諸如電源線消除噪音能力和抑制電壓波動(dòng)能力進(jìn)行判斷，可以說(shuō)是設(shè)計(jì)回路時(shí)不可或缺的重要參數(shù)。對(duì)頻率特性中的阻抗大小|Z| 和 ESR 進(jìn)行說(shuō)明1.電容器的頻率特性如假設(shè)角頻率為， 電容器的靜電容量為C ，則理想狀態(tài)下電容器(圖 1) 的阻抗 Z 可用公式(1) 表示。圖 1.理想電容器Xc = 1/ （×C） = 1/ （ 2××f×C ）；Xc- 電容容抗值；歐姆- 角頻率-3.1415926；f- 頻率，C- 電容值

2、法拉由公式 (1) 可看出，阻抗大小|Z| 如圖 2 所示，與頻率呈反比趨勢(shì)減少。由于理想電容器中無(wú)損耗，故等價(jià)串聯(lián)電阻(ESR) 為零。精品資料_圖 2.理想電容器的頻率特性但實(shí)際電容器 (圖 3) 中除有容量成分外，還有因電介質(zhì)或電極損耗產(chǎn)生的電阻（ESR ）及電極或?qū)Ь€產(chǎn)生的寄生電感(ESL) 。因此， |Z| 的頻率特性如圖4 所示呈 V 字型（部分電容器可能會(huì)變?yōu)閁 字型）曲線， ESR 也顯示出與損耗值相應(yīng)的頻率特性。圖 3.實(shí)際電容器|Z| 和 ESR 變?yōu)閳D 4 曲線的原因如下：低頻率范圍：低頻率范圍的|Z| 與理想電容器相同，都與頻率呈反比趨勢(shì)減少。ESR 值也顯示出與電介質(zhì)

3、分極延遲產(chǎn)生的介質(zhì)損耗相應(yīng)的特性。共振點(diǎn)附近：頻率升高，則 |Z| 將受寄生電感或電極的比電阻等產(chǎn)生的ESR 影響，偏離理想電容器（紅色虛線），顯示最小值。|Z| 為最小值時(shí)的頻率稱(chēng)為自振頻率，此時(shí) |Z|=ESR 。若大于自振頻率，則元件特性由電容器轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼?，|Z| 轉(zhuǎn)而增加。低于自振頻率的范圍稱(chēng)作容性領(lǐng)域，反之則稱(chēng)作感性領(lǐng)域。精品資料_圖 4.實(shí)際電容器的 |Z|/ESR 頻率特性 (例 )ESR除了受介電損耗的影響，還受電極自身抵抗行程的損耗影響。高頻范圍：共振點(diǎn)以上的高頻率范圍中的|Z| 的特性由寄生電感(L) 決定。高頻范圍的|Z| 可由公式 (2) 近似得出，與頻率成正比趨勢(shì)增加

4、。ESR 逐漸表現(xiàn)出電極趨膚效應(yīng)及接近效應(yīng)的影響。以上為實(shí)際電容器的頻率特性。重要的是，頻率越高，就越不能忽視寄生成分ESR 或 ESL的影響。隨著電容器在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，ESR 和 ESL 與靜電容量值一樣，成為表示電容器性能的重要參數(shù)。各種電容器的頻率特性以上就電容器寄生成分ESR 、 ESL 對(duì)頻率特性的巨大影響進(jìn)行了說(shuō)明。電容器種類(lèi)不同，則寄生成分也會(huì)有所不同。接下來(lái)對(duì)不同種類(lèi)電容器頻率特性的區(qū)別進(jìn)行說(shuō)明。圖 5 表示靜電容量10uF 各種電容器的|Z| 及 ESR 的頻率特性。除薄膜電容器以外， 全是 SMD精品資料_型電容器。圖 5. 各種電容器的 |Z|/ESR 頻率特性

5、圖 5 所示電容器的靜電容量值均為10uF ，因此頻率不足1kHz 的容量范圍 |Z| 均為同等值。但 1kHz 以上時(shí)，鋁電解電容器或鉭電解電容器的|Z| 比多層陶瓷電容器或薄膜電容器大，這是因?yàn)殇X電解電容器或鉭電解電容器的電解質(zhì)材料的比電阻升高，導(dǎo)致ESR 增大。薄膜電容器或多層陶瓷電容器的電極中使用了金屬材料，因此ESR 很低。多層陶瓷電容器和引腳型薄膜電容器在共振點(diǎn)附近的特性基本相同，但多層陶瓷電容器的自振頻率高，感應(yīng)范圍的|Z| 則較低。這是由于引腳型薄膜電容器中只有引腳線部分的電感增大了。由以上結(jié)果可以得出，SMD 型的多層陶瓷電容器在較寬的頻率范圍內(nèi)阻抗都很低，也最適于高頻用途。

6、多層陶瓷電容器的頻率特性多層陶瓷電容器可按原材料及形狀分為很多種類(lèi)。下面就這些因素對(duì)頻率特性的影響進(jìn)行說(shuō)明。關(guān)于 ESR ：處于容性領(lǐng)域的ESR 由電介質(zhì)材料產(chǎn)生的介質(zhì)損耗決定。Class2( 種類(lèi)2) 中的高介質(zhì)率材料因使用強(qiáng)電介質(zhì)，故有ESR 增大的傾向。 Class (種類(lèi) 1) 的溫度補(bǔ)償精品資料_材料因使用一般電介質(zhì)，因此介質(zhì)損耗非常小，ESR數(shù)值也很小。共振點(diǎn)附近到感性領(lǐng)域的高頻領(lǐng)域中的ESR 除受電極材料的比電阻率、電極形狀（厚度、長(zhǎng)度、寬度）、疊層數(shù)影響外，還受趨膚效應(yīng)或接近效應(yīng)的影響。電極材料多使用Ni ，但低損耗型電容器中，有時(shí)也會(huì)選用比電阻率低的Cu 作為電極材料。關(guān)于

7、ESL ：多層陶瓷電容器的ESL 極易受內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)影響。設(shè)內(nèi)部電極大小的長(zhǎng)度為l 、寬度為 w、厚為 d 時(shí)，根據(jù)，電極電感 ESL 可用公式 (3) 表示。由此公式可得知，電容器的電極越短，越寬，越厚，則ESL 越小。圖 6 表示各尺寸多層陶瓷電容器的額定容量與自振頻率的關(guān)系。相同容量，尺寸越小，自振頻率越高，則ESL 越小。由此，可以說(shuō)長(zhǎng)度l 較短的小型電容器適用于高頻領(lǐng)域。圖 6. 各尺寸額定容量值與自振頻率的關(guān)系圖 7 為長(zhǎng)度 l 縮短，寬度w 增大的 LW 逆轉(zhuǎn)型電容器。由圖8 的頻率特性可知，即使容量相同， LW 逆轉(zhuǎn)型電容器的阻抗低于一般電容器，特性?xún)?yōu)良。使用LW 逆轉(zhuǎn)型電容器，即使精品資料_數(shù)量少于一般電容器，也可獲得同等性能，通過(guò)減少元件數(shù)量可以降低成本，縮減實(shí)裝面積。圖 7.LW 逆轉(zhuǎn)型電容器的外觀圖 8.LW 逆轉(zhuǎn)型電容器與通用品的|Z|/ESR獲得頻率特性數(shù)據(jù)的方法頻率特性數(shù)據(jù)可通過(guò)阻抗分析儀或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀獲取。最近，也可在各元器件廠商的Web網(wǎng)站中確認(rèn)。圖 9 為提供的設(shè)計(jì)輔助工具"SimSurfing" 的圖像