確定電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR)

隨著工作頻率的增加和電子系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜和越來越小，設(shè)計人員必須密切關(guān)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(fù)雜和越來越小，設(shè)計人員必須密切關(guān)注電容器 ESR，因為它會影響功率使用和效率。
了解預(yù)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(dǎo)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(yīng)用中，ESR 產(chǎn)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(yīng)用中，散發(fā)的熱量可能會導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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?。ê翚W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(dǎo)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(luò)阻抗的顯著百分比。例如，如果設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(luò)配置中，交流電壓被施加到電容器。應(yīng)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(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 值是通過將測量的電壓除以電流來計算的。然后結(jié)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(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圍電路中的半導(dǎo)體器件，確保附近元件的阻抗不會影響 ESR 讀數(shù)。
測量前應(yīng)將電容器放電。一些 ESR 表具有內(nèi)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(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。

同軸諧振器線由銅管制成，以實心銅棒為中心導(dǎo)體。被測電容器串聯(lián)放置在中心導(dǎo)體和接地導(dǎo)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(guān)相關(guān)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(shè)備）部分，并針對峰值諧振電壓調(diào)諧信號發(fā)生器。電容器會導(dǎo)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(guān)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(luò)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(jié)果直接導(dǎo)出到計算程序并顯示終的 ESR 值。
管長設(shè)計工作在大約100 MHz到1.5 GHz的頻率范圍內(nèi)；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(shù)問題、與電容器的接觸或界面的制作方式或缺乏測量設(shè)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(yīng)避免使用自縮式螺旋纏繞測試導(dǎo)線，因為它們的電感可能是誤差源。
來自附近設(shè)備的干擾
測量應(yīng)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(dǎo)線可能會受到干擾，這可能會影響讀數(shù)。
結(jié)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(yù)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(yīng)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(fù)雜，必須密切關(guān)注 ESR 等參數(shù)，它直接影響電路性能和電源效率。