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，可以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1.电容器的频率特性 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。 图 1.理想电容器 Xc = 1/（ω×C）= 1/（2×π×f×C）； Xc--------电容容抗值；欧姆 ω---------角频率 π---------3.1415926； 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。 图 2.理想电容器的频率特性 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。 图 3.实际电容器 |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。 图 4.实际电容器的|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。 图 5.各种电容器的|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。 由以上结果可以得出，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，根据 F.W.Grover，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，可以说长度 l 较短的小型电容器适用于高频领域。 图 6.各尺寸额定容量值与自振频率的关系 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，通过减少元件数量可以降低成本，缩减实装面积。 图 7.LW逆转型电容器的外观 图 8.LW逆转型电容器与通用品的|Z|/ESR 获得频率特性数据的方法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“SimSurfing“的图像。可通过选取型号和希望确认 的项目，显示特性。还可下载 SPICE 网络清单或 S2P 数据作为模拟用数据。方便大家灵活 运用到各种电子回路设计中去。