电容器ESR频率特性

1、。【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， 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/（ C） = 1/ （ 2 f C）；Xc-电容容抗值；欧姆-角频率-3.1415926；f-频率，C-电容值法拉由公式 (1) 可看出，

2、 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。1。图 3. 实际电容器|Z| 和 ESR变为图 4 曲线的原因如下：低频率范围：低频率范围的|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

3、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。低于自振频率的范围称作容性领域，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。高频范围：共振点以上的高频率范围中的 |Z| 的特性由寄生电感 (L) 决定。高频范围的 |Z| 可由公式 (2) 近似得出， 与频率成正比趋势增加。 ESR 逐渐表现

4、出电极趋肤效应及接近效应的影响。以上为实际电容器的频率特性。重要的是，频率越高，就越不能忽视寄生成分ESR 或 ESL的影响。随着电容器在高频领域的应用越来越多，ESR和 ESL与静电容量值一样，成为表示电容器性能的重要参数。各种电容器的频率特性以上就电容器寄生成分 ESR、 ESL 对频率特性的巨大影响进行了说明。电容器种类不同，则寄生成分也会有所不同。接下来对不同种类电容器频率特性的区别进行说明。2。图 5 表示静电容量10uF 各种电容器的 |Z| 及 ESR的频率特性。除薄膜电容器以外，全是SMD型电容器。图 5. 各种电容器的 |Z|/ESR 频率特性图 5 所示电容器的静电容量值均

5、为10uF，因此频率不足 1kHz 的容量范围 |Z| 均为同等值。但 1kHz 以上时，铝电解电容器或钽电解电容器的|Z| 比多 层陶瓷电容器或薄膜电容器大，这是因为铝电解电容器或钽电解电容器的电解质材料的比电阻升高，导致 ESR增大。薄膜电容器或多层陶瓷电容器的电极中使用了金属材料，因此 ESR很低。多层陶瓷电容器和引脚型薄膜电容器在共振点附近的特性基本相同，但多层陶瓷电容器的自振频率高，感应范围的 |Z| 则较低。这是由于引脚型薄膜电容器中只有引脚线部分的电感增大了。 由以上结果可以得出， SMD型的多层陶瓷电容器在较宽的频率范围内阻抗都很低，也最适于高频用途。多层陶瓷电容器的频率特性多

6、层陶瓷电容器可按原材料及形状分为很多种类。下面就这些因素对频率特性的影响进行说明。 关于 ESR：处于容性领域的ESR由电介质材料产生的介质损耗决定。Class2( 种类 2)中的高介质率材料因使用强电介质，故有ESR增大的倾向。 Class ( 种类 1) 的温度补偿材料因使用一般电介质，因此介质损耗非常小，ESR数值也很小。共振点附近到感性领域的高频领域中的 ESR除受电极材料的比电阻率、电极形状（厚度、长度、宽度）、叠层数影响外，还受趋肤效应或接近效应的影响。电极材料多使用Ni ，但低损耗型电容器中，有时也会选用比电阻率低的 Cu 作为电极材料。关于 ESL：多层陶瓷电容器的ESL极易受

7、内部电极结构影响。设内部电极大小的长度为l 、宽度为 w、厚为 d 时，根据 F.W.Grover ，电极电感 ESL 可用公式 (3) 表示。由此公式可得知，电容器的电极越短，越宽，越厚，则ESL越小。3。图 6 表示各尺寸多层陶瓷电容器的额定容量与自振频率的关系。相同容量， 尺寸越小， 自振频率越高，则ESL 越小。由此，可以说长度l 较短的小型电容器适用于高频领域。图 6. 各尺寸额定容量值与自振频率的关系图 7 为长度 l 缩短，宽度w 增大的 LW逆转型电容器。由图8 的频率特性可知，即使容量相同， LW逆转型电容器的阻抗低于一般电容器，特性优良。使用LW逆转型电容器，即使数量少于一般电容器，也可获得同等性能，通过减少元件数量可以降低成本，缩减实装面积。图 7.LW 逆转型电容器的外观图 8.LW 逆转型电容器与通用品的|Z|/ESR获得频率特性数据的方法。4。频率特性数据可通过阻抗分析仪或矢量网络分析仪获取。最近，也可在各元器件厂商的Web网站中确认。 图 9 为提供的设计辅助工具 SimSurfing 的图像。可通过选取型号和希望确