低ESR鉭電容及其在電路設(shè)計(jì)中的重要作用
發(fā)布時(shí)間:2020-02-13 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】本技術(shù)說(shuō)明中,我們將研究鉭電容器的ESR如何影響電路性能。ESR是構(gòu)成電容器阻抗所有純阻性負(fù)載的總和。因此,這是一種熱損耗特性。電容器工作時(shí),還會(huì)影響充放電電流的大小。在固體鉭電容器中,ESR由以下幾個(gè)部分的阻抗構(gòu)成:
電容器的選擇關(guān)鍵
針對(duì)任何應(yīng)用選擇電容器時(shí),必須了解一些關(guān)鍵特性,以便分析其電路適用性。在簡(jiǎn)單的電容器等效電路模型中,三個(gè)關(guān)鍵特性影響電路性能:
電容、等效串聯(lián)電阻(ESR)和電感。
本技術(shù)說(shuō)明中,我們將研究鉭電容器的ESR如何影響電路性能。ESR是構(gòu)成電容器阻抗所有純阻性負(fù)載的總和。因此,這是一種熱損耗特性。電容器工作時(shí),還會(huì)影響充放電電流的大小。在固體鉭電容器中,ESR由以下幾個(gè)部分的阻抗構(gòu)成:
● 固體電解質(zhì)系統(tǒng)(MnO2)
● 介電層(Ta2O5)
● 端子、引線框和其他連接PCB的元件
固體鉭電容器制造商可在物理設(shè)計(jì)和材料方面做出改進(jìn),降低電容器的整體 ESR。這些ESR較低的電容器可以減少電容器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量,從而提高整體電路效率和長(zhǎng)期可靠性。降低ESR還可以增加電容器充放電期間的電流,從而提高電路性能。常見(jiàn)的阻抗(Z)和ESR數(shù)據(jù)典型值如圖1所示。
圖 1:ESR典型數(shù)據(jù)值
鉭電容器兩個(gè)主要功能為:大容量?jī)?chǔ)能和紋波濾波。我們將在下面更詳細(xì)地討論這些應(yīng)用。
1 大容量
除了最大工作電壓和電壓降額,電容器的一個(gè)重要特性是存儲(chǔ)電荷的能力。有些應(yīng)用要求電容器存儲(chǔ)大量電荷。固體鉭電容器具有高度穩(wěn)定的容值,非常適合大容量?jī)?chǔ)能,廣泛用于峰值電流期間保持電壓穩(wěn)定。這方面,必須考慮兩個(gè)因素。
● 首先是電容提供必要能量所需的總?cè)萘俊S行┣闆r下,單個(gè)鉭電容器就足夠了,但在更苛刻的應(yīng)用中,需要并聯(lián)配置多個(gè)電容器,它們的容值累加,陣列的組合電阻減小。
● 第二個(gè)因素是電容器的ESR。ESR小可以增加傳輸?shù)碾娏髁?,降低放電期間的壓降,改善電路性能。
通過(guò)3.3V電源為微處理器供電時(shí)就需要這種大容量電容。對(duì)于處理需求較大的應(yīng)用,在開啟后,必須為微處理器提供滿足需求的大電流。電容器有效提供這種大容量的能力通常稱為“轉(zhuǎn)換速率”,定義為“空閑電流”除以“峰值電流”的轉(zhuǎn)換,以 “A/μs”表示。峰值需求期間,電軌電壓可能需要保持在規(guī)定范圍以內(nèi)(例如,壓降小于10%=0.33V)。ESR小的電容器可以提供更高的放電電流,同時(shí)減少熱量的產(chǎn)生,更快、更有效地滿足這些要求。
設(shè)計(jì)師實(shí)際上可在處理器附近放置幾個(gè)低容量多層陶瓷電容器(MLCC)用于短時(shí)供電,在稍遠(yuǎn)的位置增加大容量電容器(鉭電容、聚合物電容或鋁電解電容),滿足長(zhǎng)期電流需求。超低ESR的MLCC可以提供非常高的瞬時(shí)電流,但其有限的容量意味著只能在短時(shí)間內(nèi)提供所需電流。之后,大容量電容器可以用來(lái)滿足電路需求。這種應(yīng)用中使用較低ESR鉭電容器,可以降低MLCC的依賴,減少其所需數(shù)量,從而節(jié)省PCB板空間和元件成本。同時(shí),有助于利用更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)提高板級(jí)可靠性。
圖2:各種外形尺寸的低ESR電容器
低ESR鉭電容用作大容量電容器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減少充/放電過(guò)程中產(chǎn)生熱量。這樣可以提高電路功效,降低電路的工作溫度。而且可以使用更小的電源,進(jìn)一步節(jié)省成本。
2 紋波濾波
使用低ESR電容實(shí)現(xiàn)平滑信號(hào),可以減少DC總線中的紋波電流,例如,開關(guān)電源 (SMPS)中的輸出濾波電容。這樣可以提高波形峰谷期間電壓周期和電源的充/放電電流。由于減少了紋波電流(峰-峰),每次充電/放電周期產(chǎn)生的熱量更少。低ESR(低電感)電容器還便于具有高頻AC噪聲分量的電路有效利用紋波濾波電容器。
以Vishay TR3低ESR產(chǎn)品線,TR3同類最佳ESR提高電路電氣性能、功效和可靠性(降低工作溫度)。此系列器件以不同的外形尺寸提供多種電容/電壓(CV)選擇,每種組合含有特定ESR值(見(jiàn)圖3,D型示例)。
圖 3:各電容/電壓組合的ESR值
除ESR之外,設(shè)計(jì)人員濾波電容設(shè)計(jì)還必須考慮額定電壓、ESL、DCL和介電特性。鉭電容器通常采用超薄緊湊設(shè)計(jì),其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)PCB級(jí)高可靠性。
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