【導讀】隨著(zhù)工作頻率的增加和電子系統變得越來(lái)越復雜和越來(lái)越小，設計人員必須密切關(guān)注電容器 ESR，因為它會(huì )影響功率使用和效率。
隨著(zhù)工作頻率的增加和電子系統變得越來(lái)越復雜和越來(lái)越小，設計人員必須密切關(guān)注電容器 ESR，因為它會(huì )影響功率使用和效率。
了解預期工作條件下的 ESR 值可以極大地幫助確定特定電容器是否適合執行給定功能。
一些制造商指定特定頻率和工作條件下的 ESR，一些只定義耗散因數，而其他制造商既不提供 ESR 也不提供耗散因數。
等效串聯(lián)電阻 (ESR) 是電容器的非理想特性之一，可能會(huì )導致電子電路出現各種性能問(wèn)題。由于 I 2 R 損耗、噪聲和更高的壓降，高 ESR 值會(huì )降低性能。
在某些應用中，ESR 產(chǎn)生的熱量很小，可能不是問(wèn)題。然而，在某些電路中，特別是大電流應用中，散發(fā)的熱量可能會(huì )導致明顯的溫升，影響電路的運行，并使電容器性能下降。此外，電阻兩端會(huì )出現大量電壓降，從而減少應用中的一部分有用能量。
因此，為射頻、能量收集、濾波電路和其他敏感電路等應用選擇電容器時(shí)，需要考慮電容和電壓值以外的其他特性。
ESR 對射頻和能量收集電路的影響
即使陶瓷電容器的 ESR 非常?。ê翚W級），該電阻也會(huì )顯著(zhù)影響射頻和低功率電路等電路。
在手持式 RF 發(fā)射器中，放大器漏極耦合或源極旁路級中的高 ESR 電容器會(huì )由于較高的 I 2 ESR 損耗而消耗和浪費更多的電池電量。這會(huì )降低效率、功率輸出和電池壽命。
此外，大多數用于匹配級的 RF 半導體器件都具有非常低的輸入阻抗。因此，具有高 ESR 的匹配電容器（例如多層陶瓷片式電容器 (MLCC)）將占整個(gè)網(wǎng)絡(luò )阻抗的顯著(zhù)百分比。例如，如果設備的輸入阻抗為 1 歐姆，ESR 為 0.8 歐姆的匹配電容器將消耗總功率的大約 40%，從而降低輸出功率和電路效率。
能量收集應用中的電容器發(fā)揮著(zhù)更重要的作用，可以從低壓能源中積累電荷，并快速有效地釋放存儲的能量為負載供電。因此，能量收集電路中的電容器和其他組件在運行期間應該消耗非常少的功率。
高 ESR 電容器會(huì )有更多的 I 2 ESR 損失，這樣一些捕獲的能量終會(huì )以熱量的形式浪費掉，從而降低電容器的能量輸出。然而，設計人員可能更喜歡超級電容器（盡管它們具有更高的 ESR 和泄漏），因為它們提供更高的能量密度。
使用 ESR 計確定 ESR
ESR 表是一種精度適中的儀器，價(jià)格適中且使用方便，尤其是在測量仍在電路中的多個(gè)電容器時(shí)。在分壓器網(wǎng)絡(luò )配置中，交流電壓被施加到電容器。應用交流電的頻率通常是電容器電抗可忽略不計的值。
圖 1. ESR 測量的簡(jiǎn)單模型。圖片由Kerry Wong提供。
在使用 ESR 表進(jìn)行測試期間，電流通過(guò)電容器的時(shí)間非常短，因此電容器不會(huì )完全充電。電流在電容器兩端產(chǎn)生電壓。該電壓將是電流和電容器的 ESR 加上由于電容器中的小電荷而可忽略的電壓的乘積。
由于電流是已知的，ESR 值是通過(guò)將測量的電壓除以電流來(lái)計算的。然后結果顯示在儀表讀數上。
ESR測試可在電容器在電路中或電路外時(shí)進(jìn)行。對于并聯(lián)連接的電容器，測量給出總電阻。如果要確定特定電容器的個(gè)別 ESR，則必須移除特定電容器。然而，如果有數百個(gè)電容器，則每個(gè)電容器的拆卸都很繁瑣，并且在拆卸過(guò)程中會(huì )增加損壞電容器或電路板的風(fēng)險。
典型的 ESR 表使用約 100 kHz 的高頻電流和約 250 mV 或更低的低壓。低電壓不足以偏置和激活周?chē)娐分械陌雽w器件，確保附近元件的阻抗不會(huì )影響 ESR 讀數。
測量前應將電容器放電。一些 ESR 表具有內置放電機制。但是，手動(dòng)對電容器放電可能很重要，特別是如果它是高壓電容器，其電荷會(huì )損壞 ESR 計。
盡管 ESR 表可以輕松測試在線(xiàn)電容器，但它具有頻率限制以及可以準確測量的電阻水平。
用于高頻超低電阻的同軸諧振管測量
由于 ESR 值取決于工作頻率，因此在使用傳統 ESR 表時(shí)，在非常高的頻率下測量超低 ESR 值成為一項挑戰。
對于陶瓷電容器，確定高頻（100 MHz 至 1.3 GHz）ESR 的準確方法是同軸諧振線(xiàn)法。該技術(shù)基于 Boonton 模型 34A 標準，并與 RF 信號發(fā)生器和 RF 電壓表一起使用。
圖 2.同軸諧振管框圖。圖片由Knowles Capacitors (PDF) 提供。
同軸諧振器線(xiàn)由銅管制成，以實(shí)心銅棒為中心導體。被測電容器串聯(lián)放置在中心導體和接地導體之間。
在對電容器進(jìn)行 ESR 測量之前，必須首先確定諧振器線(xiàn)路的空載特性。對短路同軸線(xiàn)的 RF 激勵有助于確定 λ/4 和 3λ/4 帶寬，而 λ/2 和 λ 帶寬是在線(xiàn)路開(kāi)路時(shí)建立的（λ 指的是波長(cháng)；有關(guān)相關(guān)信息，請參閱本文). 該數據表征了諧振頻率、諧振線(xiàn)的空載 Q 和夾具電阻。
然后將要測試的電容器放置在 DUT（被測設備）部分，并針對峰值諧振電壓調諧信號發(fā)生器。電容器會(huì )導致諧振頻率和 Q 因數發(fā)生變化，其值現在與空載同軸線(xiàn)的值不同。采用傳輸線(xiàn)計算，根據新頻率和 Q 值與初始空載條件下的頻率和 Q 值之間的關(guān)系確定 ESR 值。
圖 3.加載和卸載傳輸線(xiàn)的帶寬。圖片由American Technical Ceramics (PDF) 提供。
如今，通常的做法是使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)代替信號發(fā)生器和射頻電壓表。使用 VNA，可以從顯示屏上讀取諧振頻率。某些 VNA 模型可以將結果直接導出到計算程序并顯示終的 ESR 值。
管長(cháng)設計工作在大約100 MHz到1.5 GHz的頻率范圍內；但是，可以為超出此范圍的頻率定制長(cháng)度。
影響 ESR 測量的因素
ESR 測量誤差可能是由于技術(shù)問(wèn)題、與電容器的接觸或界面的制作方式或缺乏測量設備校準引起的。
必須考慮測量?jì)x器及其引線(xiàn)的電阻、自感和電容，尤其是在高測量頻率下。
測試引線(xiàn)電阻和電感
測試引線(xiàn)的電阻是低電阻測量中常見(jiàn)的誤差源。該電阻增加了 DUT 電阻。
此外，應避免使用自縮式螺旋纏繞測試導線(xiàn)，因為它們的電感可能是誤差源。
來(lái)自附近設備的干擾
測量應在遠離或屏蔽顯著(zhù) EMI（電磁干擾）源的區域進(jìn)行。否則，測試導線(xiàn)可能會(huì )受到干擾，這可能會(huì )影響讀數。
結論
ESR 因電容器類(lèi)型和工作條件（如頻率和溫度）而異。一些制造商指定特定頻率和特定工作條件下的 ESR，其他制造商僅提供耗散因數，而其他制造商既不提供 ESR 也不提供耗散因數。然而，了解預期工作條件下的 ESR 值可以極大地幫助確定特定電容器是否適合執行給定功能。
用于確定 ESR 的方法類(lèi)型取決于電容器類(lèi)型、工作頻率和所需精度等因素。雖然 ESR 計和其他 DIY 測量足以滿(mǎn)足頻率高達 100 kHz 左右的許多應用，但它們無(wú)法在極高頻率下準確確定極低的 ESR 值。在大約 100 MHz 和 1.3 GHz 之間的頻率下確定超低 ESR 值時(shí)，通常同軸諧振線(xiàn)方法。
隨著(zhù)工作頻率的增加和電子系統變得越來(lái)越小和越來(lái)越復雜，必須密切關(guān)注 ESR 等參數，它直接影響電路性能和電源效率。
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