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电容器ESR频率特性【导读】本文为解说电容器基础的技术专栏。通过电容器的阻抗大小|Z|和等价串联电阻(ESR)的频率特性进行阐述。了解电容器的频率特性,可对诸如电源线消除噪音能力和抑制电压波动能力进行判断,能够说是设计回路时不可或缺的重要参数。对频率特性中的阻抗大小|Z|和ESR进行说明如假设角频率为ω,电容器的静电容量为C,则理想状态下电容器(图1)的阻抗Z可用公式(1)表示。Xc=1/(ω×C)=1/(2×π×f×C);Xc--------电容容抗值;欧姆ω---------角频率;f---------频率,C---------电容值法拉由公式(1)可看出,阻抗大小|Z|如图2所示,与频率呈反比趋势減少。由于理想电容器中无损耗,故等价串联电阻(ESR)为零。但实际电容器(图3)中除有容量成分C外,还有因电介质或电极损耗产生的电阻(ESR)及电极或导线产生的寄生电感(ESL)。因此,|Z|的频率特性如图4所示呈V字型(部分电容器可能会变为U字型)曲线,ESR也显示出与损耗值相应的频率特性。|Z|和ESR变为图4曲线的原因如下:低频率范围:低频率范围的|Z|与理想电容器相同,都与频率呈反比趋势减少。ESR值也显示出与电介质分极延迟产生的介质损耗相应的特性。共振点附近:频率升高,则|Z|将受寄生电感或电极的比电阻等产生的ESR影响,偏离理想电容器(红色虚线),显示最小值。|Z|为最小值时的频率称为自振频率,此时|Z|=ESR。若大于自振频率,则元件特性由电容器转变为电感,|Z|转而增加。低于自振频率的范围称作容性领域,反之则称作感性领域。|Z|/ESR频率特性(例)ESR除了受介电损耗的影响,还受电极自身抵抗行程的损耗影响。高频范围:共振点以上的高频率范围中的|Z|的特性由寄生电感(L)决定。高频范围的|Z|可由公式(2)近似得出,与频率成正比趋势增加。ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响。以上为实际电容器的频率特性。重要的是,频率越高,就越不能忽视寄生成分ESR或ESL的影响。随着电容器在高频领域的应用越来越多,ESR和ESL与静电容量值一样,成为表示电容器性能的重要参数。各种电容器的频率特性以上就电容器寄生成分ESR、ESL对频率特性的巨大影响进行了说明。电容器种类不同,则寄生成分也会有所不同。接下来对不同种类电容器频率特性的区别进行说明。图5表示静电容量10uF各种电容器的|Z|及ESR的频率特性。除薄膜电容器以外,全是SMD型电容器。|Z|/ESR频率特性图5所示电容器的静电容量值均为10uF,因此频率不足1kHz的容量范围|Z|均为同等值。但1kHz以上时,铝电解电容器或钽电解电容器的|Z|比多层陶瓷电容器或薄膜电容器大,这是因为铝电解电容器或钽电解电容器的电解质材料的比电阻升高,导致ESR增大。薄膜电容器或多层陶瓷电容器的电极中使用了金属材料,因此ESR很低。多层陶瓷电容器和引脚型薄膜电容器在共振点附近的特性基本相同,但多层陶瓷电容器的自振频率高,感应范围的|Z|则较低。这是由于引脚型薄膜电容器中只有引脚线部分的电感增大了。由以上结果能够得出,SMD型的多层陶瓷电容器在较宽的频率范围内阻抗都很低,也最适于高频用途。多层陶瓷电容器的频率特性多层陶瓷电容器可按原材料及形状分为很多种类。下面就这些因素对频率特性的影响进行说明。关于ESR:处于容性领域的ESR由电介质材料产生的介质损耗决定。Class2(种类2)中的高介质率材料因使用强电介质,故有ESR增大的倾向。Class1(种类1)的温度补偿材料因使用一般电介质,因此介质损耗非常小,ESR数值也很小。共振点附近到感性领域的高频领域中的ESR除受电极材料的比电阻率、电极形状(厚度、长度、宽度)、叠层数影响外,还受趋肤效应或接近效应的影响。电极材料多使用Ni,但低损耗型电容器中,有时也会选用比电阻率低的Cu作为电极材料。关于ESL:多层陶瓷电容器的ESL极易受内部电极结构影响。设内部电极大小的长度为l、宽度为w、厚为d时,,电极电感ESL可用公式(3)表示。由此公式可得知,电容器的电极越短,越宽,越厚,则ESL越小。图6表示各尺寸多层陶瓷电容器的额定容量与自振频率的关系。相同容量,尺寸越小,自振频率越高,则ESL越小。由此,能够说长度l较短的小型电容器适用于高频领域。图7为长度l缩短,宽度w增大的LW逆转型电容器。由图8的频率特性可知,即使容量相同,LW逆转型电容器的阻抗低于一般电容器,特性优良。使用LW逆转型电容器,即使数量少于一般电容器,也可获得同等性能,通过减少元件数量能够降低成本,缩减实装面积。|Z|/ESR获得频率特性数据的方法频率特性数据可通过阻抗分析仪或矢量网络分析仪获取。最近,也可在各元器件厂商的Web网站中确认。图9为提供的设计辅助工具"SimSu