【導讀】隨著工作頻率的增加和電子系統(tǒng)變得越來越復雜和越來越小，設計人員必須密切關注電容器 ESR，因為它會影響功率使用和效率。
隨著工作頻率的增加和電子系統(tǒng)變得越來越復雜和越來越小，設計人員必須密切關注電容器 ESR，因為它會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(zhí)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(shù)，而其他制造商既不提供 ESR 也不提供耗散因數(shù)。
等效串聯(lián)電阻 (ESR) 是電容器的非理想特性之一，可能會導致電子電路出現(xiàn)各種性能問題。由于 I 2 R 損耗、噪聲和更高的壓降，高 ESR 值會降低性能。
在某些應用中，ESR 產生的熱量很小，可能不是問題。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，電阻兩端會出現(xiàn)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，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 非常小（毫歐級），該電阻也會顯著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。這會降低效率、功率輸出和電池壽命。
此外，大多數(shù)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)）將占整個網(wǎng)絡阻抗的顯著百分比。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 電容器會有更多的 I 2 ESR 損失，這樣一些捕獲的能量終會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，價格適中且使用方便，尤其是在測量仍在電路中的多個電容器時。在分壓器網(wǎng)絡配置中，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 測量的簡單模型。圖片由Kerry Wong提供。
在使用 ESR 表進行測試期間，電流通過電容器的時間非常短，因此電容器不會完全充電。電流在電容器兩端產生電壓。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 值是通過將測量的電壓除以電流來計算的。然后結果顯示在儀表讀數(shù)上。
ESR測試可在電容器在電路中或電路外時進行。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別 ESR，則必須移除特定電容器。然而，如果有數(shù)百個電容器，則每個電容器的拆卸都很繁瑣，并且在拆卸過程中會增加損壞電容器或電路板的風險。
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圍電路中的半導體器件，確保附近元件的阻抗不會影響 ESR 讀數(shù)。
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，其電荷會損壞 ESR 計。
盡管 ESR 表可以輕松測試在線電容器，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(tǒng) ESR 表時，在非常高的頻率下測量超低 ESR 值成為一項挑戰(zhàn)。
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法。該技術基于 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。
同軸諧振器線由銅管制成，以實心銅棒為中心導體。被測電容器串聯(lián)放置在中心導體和接地導體之間。
在對電容器進行 ESR 測量之前，必須首先確定諧振器線路的空載特性。對短路同軸線的 RF 激勵有助于確定 λ/4 和 3λ/4 帶寬，而 λ/2 和 λ 帶寬是在線路開路時建立的（λ 指的是波長；有關相關信息，請參閱本文). 該數(shù)據(jù)表征了諧振頻率、諧振線的空載 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。電容器會導致諧振頻率和 Q 因數(shù)發(fā)生變化，其值現(xiàn)在與空載同軸線的值不同。采用傳輸線計算，根據(jù)新頻率和 Q 值與初始空載條件下的頻率和 Q 值之間的關系確定 ESR 值。
圖 3.加載和卸載傳輸線的帶寬。圖片由American Technical Ceramics (PDF) 提供。
如今，通常的做法是使用矢量網(wǎng)絡分析儀來代替信號發(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度。
影響 ESR 測量的因素
ESR 測量誤差可能是由于技術問題、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。
必須考慮測量儀器及其引線的電阻、自感和電容，尤其是在高測量頻率下。
測試引線電阻和電感
測試引線的電阻是低電阻測量中常見的誤差源。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，因為它們的電感可能是誤差源。
來自附近設備的干擾
測量應在遠離或屏蔽顯著 EMI（電磁干擾）源的區(qū)域進行。否則，測試導線可能會受到干擾，這可能會影響讀數(shù)。
結論
ESR 因電容器類型和工作條件（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(shù)，而其他制造商既不提供 ESR 也不提供耗散因數(shù)。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(zhí)行給定功能。
用于確定 ESR 的方法類型取決于電容器類型、工作頻率和所需精度等因素。雖然 ESR 計和其他 DIY 測量足以滿足頻率高達 100 kHz 左右的許多應用，但它們無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，通常同軸諧振線方法。
隨著工作頻率的增加和電子系統(tǒng)變得越來越小和越來越復雜，必須密切關注 ESR 等參數(shù)，它直接影響電路性能和電源效率。
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