ESR-ESL-电容容量

【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：低频率围：低频率围的|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。

高频围：共振点以上的高频率围中的|Z|的特性由寄生电感(L)决定。

ESR：等效串联电阻理论上，一个完美的电容，自身不会产生任何能量损失，但是实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗，各种原因导致电容变得不“完美”。

这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串联在一起，所以就起了个名字叫做“等效串联电阻”。

比如，我们认为电容上面电压不能突变，当突然对电容施加一个电流，电容因为自身充电，电压会从0开始上升。

但是有了ESR，电阻自身会产生一个压降，这就导致了电容器两端的电压会产生突变。

无疑的，这会降低电容的滤波效果，所以很多高质量的电源啦一类的，都使用低ESR的电容器。

同样的，在振荡电路等场合，ESR也会引起电路在功能上发生变化，引起电路失效甚至损坏等严重后果。

所以在多数场合，低ESR的电容，往往比高ESR的有更好的表现。

不过事情也有例外，有些时候，这个ESR也被用来做一些有用的事情。

比如在稳压电路中，有一定ESR的电容，在负载发生瞬变的时候，会立即产生波动而引发反馈电路动作，这个快速的响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价，获取了后续的快速调整能力，尤其是功率管的响应速度比较慢，并且电容器的体积/容量受到严格限制的时候。

这种情况见于一些使用mos管做调整管的三端稳压或者相似的电路中。

这时候，太低的ESR反而会降低整体性能。

实际上，需要更低ESR的场合更多，而低ESR的大容量电容价格相对昂贵，所以很多开关电源采取的并联的策略，用多个ESR相对高的铝电解并联，形成一个低ESR的大容量电容。

牺牲一定的PCB空间，换来器件成本的减少，很多时候都是划算的。

和ESR类似的另外一个概念是ESL，也就是等效串联电感。

早期的卷制电容经常有很高的ESL，而且容量越大的电容，ESL一般也越大。

ESL经常会成为ESR的一部分，并且ESL也会引发一些电路故障，比如串联谐振等。

但是相对容量来说，ESL的比例太小，出现问题的几率很小，再加上电容制作工艺的进步，现在已经逐渐忽略ESL，而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。

电源滤波电容的大小计算电感的阻抗与频率成正比,电容的阻抗与频率成反比.所以,电感可以阻扼高频通过,电容可以阻扼低频通过.二者适当组合,就可过滤各种频率信号.如在整流电路中,将电容并在负载上或将电感串联在负载上,可滤去交流纹波.。

电容滤波属电压滤波，是直接储存脉动电压来平滑输出电压，输出电压高，接近交流电压峰值；适用于小电流，电流越小滤波效果越好。

电感滤波属电流滤波，是靠通过电流产生电磁感应来平滑输出电流，输出电压低，低于交流电压有效值；适用于大电流，电流越大滤波效果越好。

电容和电感的很多特性是恰恰相反的。

一般情况下，电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号，但即使是低频信号，其频率也分为了好几个数量级。

因此为了适合在不同频率下使用，电解电容也分为高频电容和低频电容（这里的高频是相对而言）。

低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为50Hz；而高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。

当我们将低频滤波电容用于高频电路时，由于低频滤波电容高频特性不好，它在高频充放电时内阻较大，等效电感较高。

因此在使用中会因电解液的频繁极化而产生较大的热量。

而较高的温度将使电容内部的电解液气化，电容内压力升高，最终导致电容的鼓包和爆裂。

电源滤波电容的大小，平时做设计，前级用4.7u,用于滤低频，二级用0.1u，用于滤高频，4.7uF的电容作用是减小输出脉动和低频干扰，0.1uF的电容应该是减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰。

一般前面那个越大越好，两个电容值相差大概100倍左右。

电源滤波，开关电源，要看你的ESR(电容的等效串联电阻)有多大，而高频电容的选择最好在其自谐振频率上。

大电容是防止浪涌，机理就好比大水库防洪能力更强一样；小电容滤高频干扰，任何器件都可以等效成一个电阻、电感、电容的串并联电路，也就有了自谐振，只有在这个自谐振频率上，等效电阻最小，所以滤波最好！电容的等效模型为一电感Ｌ，一电阻Ｒ和电容Ｃ的串联，电感Ｌ为电容引线所至，电阻Ｒ代表电容的有功功率损耗，电容Ｃ因而可等效为串联ＬＣ回路求其谐振频率，串联谐振的条件为WL=1/WC,W=2*PI*f,从而得到此式子f = 1/(2pi* LC)．，串联ＬＣ回路中心频率处电抗最小表现为纯电阻，所以中心频率处起到滤波效果．引线电感的大小因其粗细长短而不同，接地电容的电感一般是１ＭＭ为10nＨ左右，取决于需要接地的频率。

电容的类型1、铝电解电容电容容量范围为0.1μF ～22000μF，高脉动电流、长寿命、大容量的不二之选，广泛应用于电源滤波、解耦等场合。

（贴片）（直插）（轴向）2、钽电容电容容量范围为2.2μF ～560μF，低等效串联电阻（ESR）、低等效串联电感（ESL）。

脉动汲取、瞬态响应及噪声抑制都优于铝电解电容，是高稳定电源的抱负选择，但较铝电解价格更高。

3、陶瓷电容电容容量范围为0.5pF ～100μF，独特的材料和薄膜技术的结晶，迎合了当今“更轻、更薄、更节能“的设计理念。

规格也有许多，这里只大致提以下几种：a、瓷片电容是一种用陶瓷材料作介质，在陶瓷表面涂覆一层金属薄膜，再经高温烧结后作为电极而成的电容器。

通常用于高稳定振荡回路中，作为回路、旁路电容器及垫整电容器。

b、MLCC多层陶瓷电容器，也有叫独石电容。

多层结构，往往一个MLCC 内部多达几十层，甚至更多，其中，每一单层都相当于一个电容，几十层，就相当于几十个电容器并联，所以MLCC容量做很大，但电压不高。

一般都是表面贴封装。

（贴片的，是不是很熟识）（加两只脚就叫独石电容了）4、薄膜电容薄膜电容器是以金属箔当电极，将其和聚乙酯，聚丙烯，聚笨乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，从两端重叠后，卷绕成圆筒状的构造之电容器。

而依塑料薄膜的种类又被分别称为聚乙酯电容（又称Mylar电容），聚丙烯电容（又称PP电容），聚苯乙烯电容（又称PS电容）和聚碳酸电容。

主要应用于电子、家电、通讯、电力、电气化铁路、混合动力汽车、风力发电、太阳能发电等多个行业，这些行业的稳定进展，推动了薄膜电容器市场的增长。

（涤纶电容）（MEA）（电机起动及运行电容器）（MKP电容，拆过电磁炉应当都见过）5、云母电容云母材料拥有优良的电气性能和机械性能，使云母电容自身电感和漏电损耗都很小，具有耐压范围宽，牢靠性高，性能稳定，容量精度高等优点。

特殊适合用在高频振荡电路、高精度运算放大、滤波电路等场合。