2016年3月22日 星期二

電容ESR造成的影響


ESR(EquivalentSeriesResistance) : 等效串聯電阻

意指通過電容器電流越大,ESR越大,在零件中的損耗也越大,容易導致電容器發熱

高效率的電壓轉換器(DC-DC)中通大多以PWM(pulse width modulated)方式轉換電壓
頻率,大略從20KHZ~1MHZ,而頻率對ESR影響如下:

低頻:ESR上升
高頻:ESR下降

至於溫度對ESR影響,會因不同材質的電容器而異,如下圖1。
  • 結論1:由於低ESR的電容價格相較昂貴,在電源開關的線路中,普遍做法為並聯多個高ESR的電容,降低整體阻抗值,以空間換取價格昂貴的零件。

溫度對ESR的影響
圖1:溫度對不同材質電容器的影響
(OS-CON : 導電性高分子鋁固體電解電容器)
ESL:等效串聯電感。早期的卷製電感經常有很高的ESL,而且容量越大的電容,ESL一般也越大。ESL經常會成為ESR的一部分,並且ESL也會引發一些電路故障,比如串連諧振等。但是相對容量來說,ESL的比例太小,出現問題的幾率很小,再加上電容製作工藝的進步,現已經逐漸忽略ESL,而把ESR作為除容量之外的主要參考因素。

迴路中低電壓、高電流對ESR的影響
在通過電容的電流越來越高的情況下,假如電容的ESR值不能保持在一個較小的範圍,那麼就會產生比以往更高的漣波電壓(見下圖2)。 
此外,即使是相同的漣波電壓,對低電壓電路的影響也要比在高電壓情況下更大。
例如對於3.3V的CPU而言,0.2V Ripple Voltage所占比例較小,約6% Tolerance還不足以形成致命的影響,但是對於1.8V的CPU而言,同樣是0.2V Ripple Voltage,11% tolerance的比例就足以造成數位電路的誤動作,也就是常說的Floating。 
那麼ESR值與漣波電壓的關係可以用歐姆定律計算: V=I×R(ESR)。
可以看到,當電流增大的時候,即使在ESR保持不變的情況下,漣波電壓也會成倍提高,采用更低ESR值的電容是勢在必行。這就是為什麼ESR越小越好的緣故。
  • 結論2:電容的ESR在設計&選用料件時通常會希望越低越好
圖2 漣波電壓