别让等效串联电阻（ESR）浪费电能并损耗电容器

shuszhao

理想电容器在现实世界中有一个重要参数，称为等效串联电阻(ESR)。ESR对基本的直流电路可能影响不大，却会影响开关电源或RF电路的实际性能。此外，ESR还会产生热功耗，浪费电能，增加系统的热负荷。

记得还在学校时，我们从电气工程基础课上了解到，理想的电容器是一个简单的基本电抗元件。它很容易用容抗来表达：

X[sub]C[/sub] = 1/(2πfC)

其中f是频率，C是电容值。然后，在一些（但不是全部）课程中，剥去理想的外衣之后，我们了解到现实并不是那么简单。理想电容器在现实世界中有一个重要参数，称为等效串联电阻（ESR），它可以量化电容器对RF电流的有效电阻R[sub]S[/sub]。
ESR参数实际上受到多个因素的影响，包括电极和端子引线，以及电介质、板材料、电解质溶液等，所有这些都跟特定频率有关。如果从实际串联电阻、漏电电阻和介质损耗角度来看，ESR便从一个仅与理想电容串联的电阻，变为更复杂的元件，如图1所示。请注意，实际的电容器也会产生互补寄生自感，称为等效串联电感或ESL，但这又是另一回事了，这里先不讨论。

                               
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图1：理论电容器是一个简单的电抗元件，但由于欧姆串联电阻、泄漏电阻和介质损耗，实际电容器会带有等效串联电阻。（图片由QuadTech公司提供）

我们为什么要担心ESR？对于基本的直流电路，ESR可能影响不大。但是，当您设计开关电源或RF电路时，ESR显然会影响你的设计，以及电路的实际性能。ESR会改变并降低电容器工作电路的谐振以及电路的品质因数Q。ESR跟频率有关，显然也受到电容器类型、材料、结构和电容值等诸多因素的影响，如图2所示。

                               
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图2：ESR受许多因素的影响，包括工作频率及电容器材料和类型（图片由Murata提供）。

ESR不仅仅影响电路性能，作为一个“电阻”，它还会产生热功耗P，这是流过电容的电流的函数，用公式表示为P = I2RS。ESR不仅浪费电能（多数情况下由能耗和工作时间决定），而且这种能耗会增加系统的热负荷。即使它不会给系统造成负担，也可能很快超出电容本身的热额定值。例如，一个基本的0.47μF电容在1GHz时的平均ESR约为0.1Ω，其功耗约为75mW。视电路和系统的具体情况，以及电容器额定参数的不同，这样的功耗也许不算什么，但也可能影响重大。
显而易见的问题是你如何确定ESR？对于大多数工程师而言，答案很明显：您可以查看供应商的数据表参数，以及ESR与频率的关系图。信誉良好的供应商会提供详细的ESR规格，不仅标明数值，还会解释清楚它们是如何确定的。

如果你想自己测量ESR，这可不太容易。《微波》杂志（Microwave Journal）上有一篇题为“电容器ESR测量的方法和问题”的文章，详细介绍了可对ESR进行测量的长期且可接受的方式及其局限性，也给出了一个较为先进的技巧。不同供应商可能会使用不同的方法。无论你尝试哪种方法，都需要考虑测试和仪器的许多细微之处，因为在处理GHz和更高频率的信号和分量时总会遇到这种情况。

你在设计中有没有因ESR过大而受到影响的情况？你有没有试过深入研究你用过的某个特定电容器的ESR的详细情况，或试图自己测量ESR？请分享你的经历和想法。

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qi2017

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