記得還在學校時，我們從電氣工程基礎課上了解到，理想的電容器是一個簡單的基本電抗元件。它很容易用容抗來表達：

XC= 1/(2πfC)

其中f是頻率，C是電容值。然后，在一些（但不是全部）課程中，剝去理想的外衣之后，我們了解到現實并不是那么簡單。理想電容器在現實世界中有一個重要參數，稱為等效串聯電阻（ESR），它可以量化電容器對RF電流的有效電阻RS。

ESR參數實際上受到多個因素的影響，包括電極和端子引線，以及電介質、板材料、電解質溶液等，所有這些都跟特定頻率有關。如果從實際串聯電阻、漏電電阻和介質損耗角度來看，ESR便從一個僅與理想電容串聯的電阻，變為更復雜的元件，如圖1所示。請注意，實際的電容器也會產生互補寄生自感，稱為等效串聯電感或ESL，但這又是另一回事了，這里先不討論。

圖1：理論電容器是一個簡單的電抗元件，但由于歐姆串聯電阻、泄漏電阻和介質損耗，實際電容器會帶有等效串聯電阻。（圖片由QuadTech公司提供）

我們為什么要擔心ESR？對于基本的直流電路，ESR可能影響不大。但是，當您設計開關電源或RF電路時，ESR顯然會影響你的設計，以及電路的實際性能。ESR會改變并降低電容器工作電路的諧振以及電路的品質因數Q。ESR跟頻率有關，顯然也受到電容器類型、材料、結構和電容值等諸多因素的影響，如圖2所示。

圖2：ESR受許多因素的影響，包括工作頻率及電容器材料和類型（圖片由Murata提供）。

ESR不僅僅影響電路性能，作為一個“電阻”，它還會產生熱功耗P，這是流過電容的電流的函數，用公式表示為P = I2RS。ESR不僅浪費電能（多數情況下由能耗和工作時間決定），而且這種能耗會增加系統的熱負荷。即使它不會給系統造成負擔，也可能很快超出電容本身的熱額定值。例如，一個基本的0.47μF電容在1GHz時的平均ESR約為0.1Ω，其功耗約為75mW。視電路和系統的具體情況，以及電容器額定參數的不同，這樣的功耗也許不算什么，但也可能影響重大。

顯而易見的問題是你如何確定ESR？對于大多數工程師而言，答案很明顯：您可以查看供應商的數據表參數，以及ESR與頻率的關系圖。信譽良好的供應商會提供詳細的ESR規格，不僅標明數值，還會解釋清楚它們是如何確定的。如果你想自己測量ESR，這可不太容易。《微波》雜志（Microwave Journal）上有一篇題為“電容器ESR測量的方法和問題”的文章，詳細介紹了可對ESR進行測量的長期且可接受的方式及其局限性，也給出了一個較為先進的技巧。不同供應商可能會使用不同的方法。無論你嘗試哪種方法，都需要考慮測試和儀器的許多細微之處，因為在處理GHz和更高頻率的信號和分量時總會遇到這種情況。你在設計中有沒有因ESR過大而受到影響的情況？你有沒有試過深入研究你用過的某個特定電容器的ESR的詳細情況，或試圖自己測量ESR？請分享你的經歷和想法。

原文刊登在EDN美國網站，參考鏈接：Don't let ESR waste power and cook capacitors。

《電子技術設計》2018年8月刊版權所有，禁止轉載。