低ESR钽电容及其在电路设计中的重要作用

2020年2月8日22:52:00 评论

针对任何应用选择电容器时,必须了解一些关键特性,以便分析其电路适用性。在简单的电容器等效电路模型中,三个关键特性影响电路性能:电容、等效串联电阻(ESR)和电感。这些元件的大小以及随温度、频率和施加电压的变化,对于每种电容器技术而言是不同的。

本技术说明中,我们将研究钽电容器的ESR如何影响电路性能。ESR是构成电容器阻抗的所有纯阻性负载的总和。因此,这是一种热损耗特性。电容器工作时,还会影响充放电电流的大小。在固体钽电容器中,构成ESR成分是以下方面的阻抗:

  • 固体电解质系统(MnOn2)
  • 介电层(Ta2O5)
  • 端子、引线框和其它他连接PCB的元器件

固体钽电容器制造商可在物理设计和材料方面做出改进,降低电容器的整体ESR。这些ESR较低的电容器可以减少电容器内部产生的热量,从而提高整体电路效率和长期可靠性。降低ESR还可以增加电容器充放电期间的电流,从而提高电路性能。常见的阻抗(Z)和ESR数据典型值如图1所示。

低ESR钽电容及其在电路设计中的重要作用
图1 常见的阻抗(Z)和ESR数据典型值

钽电容器两个主要特性非常适合用于大容量储能、纹波滤波。我们将在下面更详细地讨论这些应用。

一、大容量

除了最大工作电压和电压降额,电容器的一个重要特性是存储电荷的能力。一些应用要求电容器存储大量电荷。固体钽电容器具有高度稳定的容值,非常适合大容量储能,广泛用于峰值电流需求期间保持电压稳定。这方面,必须考虑两个因素。

  • 首先是电容提供必要能量所需的总容量。有些情况下,单个钽电容器就足够了,但在更苛刻的应用中,可以并联配置多个电容器,它们的容值累加,阵列的组合电阻减小。
  • 第二个因素是电容器的ESR。ESR小可以增加传输的电流量,降低放电期间的压降,改善电路性能。

这方面的一个例子是3.3V电源为微处理器供电所需的大容量电容。工作期间,在大处理量应用中,微处理器必须满足大电流需求。电容器有效提供这种大容量能量的能力通常称为“转换速率”,定义为“无功电流”到“峰值电流”的转换,以特定斜率“Amps/μs”表示。峰值需求期间,电轨电压可能需要保持在规定范围以内(例如,压降小于10%=0.33V)。ESR小的电容器可以提供更高的放电电流,同时减少热量的产生,更快、更有效地满足这些要求。

设计师实际上可在处理器附近放置几个低容量多层陶瓷电容器(MLCC)用于短时供电,在稍远的位置增加大容量电容器(钽电容、聚合物电容或铝电解电容),满足长期电流需求。MLCC的ESR很低,可以提供非常高的瞬时电流,但其有限的容量意味着只能在短时间内提供所需电流。之后,大容量电容器可以用来满足电路需求。在这种应用中使用ESR较低的钽电容器,可以降低MLCC的依赖,减少其所需数量,从而节省PCB板空间和元件成本。同时,有助于利用更坚固的结构提高板级可靠性。

低ESR钽电容用作大容量电容器的另一个优点是减少充/放电过程中产生的热量。这样可以提高电路功效,降低电路的工作温度。而且可以使用更小的电源,进一步节省成本。

二、波纹滤波

使用低ESR电容实现平滑信号,可以减少DC总线中的纹波电流,例如,可以用作开关电源(SMPS)中的输出滤波电容。这样可以提高波形峰谷期间电压周期和电源的充/放电电流。由于减少了纹波电流(峰-峰),每次充电/放电周期产生的热量更少。低ESR(低电感)电容器还便于纹波滤波电容器有效用于高频AC噪声分量的电路。

这里,不妨考虑一下Vishay TR3低ESR产品线。TR3出色的ESR可提高电路电气性能、功效和可靠性(降低工作温度)。器件外形尺寸提供多种电容/电压(CV)选择,每种组合含有特定ESR值(见图2,D型示例)。

低ESR钽电容及其在电路设计中的重要作用
图2

除ESR之外,设计人员在设计滤波电容时还必须考虑额定电压、ESL、DCL和介电特性。钽电容器通常采用非常薄紧凑的设计,其坚固的结构可实现PCB级高可靠性。

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