确定电容器的等效串联电阻 (ESR)

随着工作频率的增加和电子系统变得越来越复杂和越来越小，设计人员必须密切关注电容器 ESR，因为它会影响功率使用和效率。

随着工作频率的增加和电子系统变得越来越复杂和越来越小，设计人员必须密切关注电容器 ESR，因为它会影响功率使用和效率。了解预期工作条件下的 ESR 值可以极大地帮助确定特定电容器是否适合执行给定功能。一些制造商指定特定频率和工作条件下的 ESR，一些只定义耗散因数，而其他制造商既不提供 ESR 也不提供耗散因数。等效串联电阻 (ESR) 是电容器的非理想特性之一，可能会导致电子电路出现各种性能问题。由于 I2R 损耗、噪声和更高的压降，高 ESR 值会降低性能。在某些应用中，ESR 产生的热量很小，可能不是问题。然而，在某些电路中，特别是大电流应用中，散发的热量可能会导致明显的温升，影响电路的运行，并使电容器性能下降。此外，电阻两端会出现大量电压降，从而减少应用中的一部分有用能量。因此，为射频、能量收集、滤波电路和其他敏感电路等应用选择电容器时，需要考虑电容和电压值以外的其他特性。ESR 对射频和能量收集电路的影响即使陶瓷电容器的 ESR 非常小（毫欧级），该电阻也会显着影响射频和低功率电路等电路。在手持式 RF 发射器中，放大器漏极耦合或源极旁路级中的高 ESR 电容器会由于较高的 I 2 ESR 损耗而消耗和浪费更多的电池电量。这会降低效率、功率输出和电池寿命。此外，大多数用于匹配级的 RF 半导体器件都具有非常低的输入阻抗。因此，具有高 ESR 的匹配电容器（例如多层陶瓷片式电容器 (MLCC)）将占整个网络阻抗的显着百分比。例如，如果设备的输入阻抗为 1 欧姆，ESR 为 0.8 欧姆的匹配电容器将消耗总功率的大约 40%，从而降低输出功率和电路效率。能量收集应用中的电容器发挥着更重要的作用，可以从低压能源中积累电荷，并快速有效地释放存储的能量为负载供电。因此，能量收集电路中的电容器和其他组件在运行期间应该消耗非常少的功率。高 ESR 电容器会有更多的 I2ESR 损失，这样一些捕获的能量终会以热量的形式浪费掉，从而降低电容器的能量输出。然而，设计人员可能更喜欢超级电容器（尽管它们具有更高的 ESR 和泄漏），因为它们提供更高的能量密度。使用 ESR 计确定 ESRESR 表是一种精度适中的仪器，价格适中且使用方便，尤其是在测量仍在电路中的多个电容器时。在分压器网络配置中，交流电压被施加到电容器。应用交流电的频率通常是电容器电抗可忽略不计的值。

图 1.ESR 测量的简单模型。图片由Kerry Wong提供。

在使用 ESR 表进行测试期间，电流通过电容器的时间非常短，因此电容器不会完全充电。电流在电容器两端产生电压。该电压将是电流和电容器的 ESR 加上由于电容器中的小电荷而可忽略的电压的乘积。由于电流是已知的，ESR 值是通过将测量的电压除以电流来计算的。然后结果显示在仪表读数上。ESR测试可在电容器在电路中或电路外时进行。对于并联连接的电容器，测量给出总电阻。如果要确定特定电容器的个别 ESR，则必须移除特定电容器。然而，如果有数百个电容器，则每个电容器的拆卸都很繁琐，并且在拆卸过程中会增加损坏电容器或电路板的风险。典型的 ESR 表使用约 100 kHz 的高频电流和约 250 mV 或更低的低压。低电压不足以偏置和激活周围电路中的半导体器件，确保附近元件的阻抗不会影响 ESR 读数。测量前应将电容器放电。一些 ESR 表具有内置放电机制。但是，手动对电容器放电可能很重要，特别是如果它是高压电容器，其电荷会损坏 ESR 计。尽管 ESR 表可以轻松测试在线电容器，但它具有频率限制以及可以准确测量的电阻水平。用于高频超低电阻的同轴谐振管测量由于 ESR 值取决于工作频率，因此在使用传统 ESR 表时，在非常高的频率下测量超低 ESR 值成为一项挑战。对于陶瓷电容器，确定高频（100 MHz 至 1.3 GHz）ESR 的准确方法是同轴谐振线法。该技术基于 Boonton 模型 34A 标准，并与 RF 信号发生器和 RF 电压表一起使用。

图 2.同轴谐振管框图。图片由Knowles Capacitors(PDF) 提供。

同轴谐振器线由铜管制成，以实心铜棒为中心导体。被测电容器串联放置在中心导体和接地导体之间。在对电容器进行 ESR 测量之前，必须首先确定谐振器线路的空载特性。对短路同轴线的 RF 激励有助于确定 λ/4 和 3λ/4 带宽，而 λ/2 和 λ 带宽是在线路开路时建立的（λ 指的是波长；有关相关信息，请参阅本文).该数据表征了谐振频率、谐振线的空载 Q 和夹具电阻。然后将要测试的电容器放置在 DUT（被测设备）部分，并针对峰值谐振电压调谐信号发生器。电容器会导致谐振频率和 Q 因数发生变化，其值现在与空载同轴线的值不同。采用传输线计算，根据新频率和 Q 值与初始空载条件下的频率和 Q 值之间的关系确定 ESR 值。

图 3.加载和卸载传输线的带宽。图片由American Technical Ceramics(PDF) 提供。

如今，通常的做法是使用矢量网络分析仪来代替信号发生器和射频电压表。使用 VNA，可以从显示屏上读取谐振频率。某些 VNA 模型可以将结果直接导出到计算程序并显示终的 ESR 值。管长设计工作在大约100 MHz到1.5 GHz的频率范围内；但是，可以为超出此范围的频率定制长度。影响 ESR 测量的因素ESR 测量误差可能是由于技术问题、与电容器的接触或界面的制作方式或缺乏测量设备校准引起的。必须考虑测量仪器及其引线的电阻、自感和电容，尤其是在高测量频率下。测试引线电阻和电感测试引线的电阻是低电阻测量中常见的误差源。该电阻增加了 DUT 电阻。此外，应避免使用自缩式螺旋缠绕测试导线，因为它们的电感可能是误差源。来自附近设备的干扰测量应在远离或屏蔽显着 EMI（电磁干扰）源的区域进行。否则，测试导线可能会受到干扰，这可能会影响读数。结论ESR 因电容器类型和工作条件（如频率和温度）而异。一些制造商指定特定频率和特定工作条件下的 ESR，其他制造商仅提供耗散因数，而其他制造商既不提供 ESR 也不提供耗散因数。然而，了解预期工作条件下的 ESR 值可以极大地帮助确定特定电容器是否适合执行给定功能。用于确定 ESR 的方法类型取决于电容器类型、工作频率和所需精度等因素。虽然 ESR 计和其他 DIY 测量足以满足频率高达 100 kHz 左右的许多应用，但它们无法在极高频率下准确确定极低的 ESR 值。在大约 100 MHz 和 1.3 GHz 之间的频率下确定超低 ESR 值时，通常同轴谐振线方法。随着工作频率的增加和电子系统变得越来越小和越来越复杂，必须密切关注 ESR 等参数，它直接影响电路性能和电源效率。