作为电路设计的基本因素,等效串联电阻(ESR)是对与电容器串联的所有非理想电阻的测量。当多层陶瓷电容器(MLCC)处于交流电压下有电流通过时,其本身由于ESR等造成的损耗会产生热量,这在当今更复杂、更小的电路系统中会造成各种性能及可靠性问题。
同样,品质因子(Q)也是衡量MLCC的重要参数。和ESR一样,品质因子与频率有关,并且难以在整个频率范围内进行准确测量。同时相关测量工作需要对所提供的数据加以验证,因此直接比较不同公司提供的数据相当麻烦。
然而,有一点是肯定的——测量值在很大程度上依赖于导体板、绝缘材料、端头等方面的电阻情况。ESR值越高,电容器的能量损耗就越大——参考以下方程式:
其中Rs是等效串联电阻ESR(单位为欧姆),DF是耗散因子,Xc是容抗(单位为欧姆)。
等效串联电阻(ESR)还决定了有多少纹波电流会被转换为热能。如上所述,如果功率耗散问题处理不当,高温会对电容器的性能产生不利影响,并可能导致长时间工作时的元件意外损伤。
其中P是功率耗散(单位为瓦);I是均方根电流(单位为安培);R是等效串联电阻ESR(单位为欧姆)。
等效串联电阻(ESR)可以用以下两种方法进行测量:
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利用谐振管,其谐振频率和带宽受电容器的品质因子和ESR的影响。
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或
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使用阻抗分析仪进行扫频测量,它可以直接测量特性,但也存在更多内在接触不良问题。
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需要明确的是,容值和工作电压是MLCC的两个定义参数,对材料和设计的良好管控意味着电容器性能的一致性——尽管实际测量到的数值可能有所不同。
还需注意的是,将不同来源获得的数据、或是在不同时间段测试获取的数据进行比较时,可能无法真实地反映出元件在电路中的实际表现;同时也需考虑到,这些测试数据是从安装在测试夹具中的元件上获取的,因此也不能完全代表焊接在电路中的实际元件性能。
此外,元件针对相关应用的适应性也需要通过对电路的评估来加以确认,而提供ESR值和Q值的目的正是为了对MLCC在特定工作频率范围内的性能给出一个参考。
了解等效串联电阻(ESR)的值至关重要,因为它决定了该元件是否适用于射频功率应用。如果ESR值过高,由损耗造成的自热将过大,元件会因过热而失效。凭借ESR值还可计算出该元件所能承受的最大额定电流。
值得一提的是,在高纹波电流应用中,考虑等效串联电阻(ESR)的影响也相当重要——如在电动车等一系列相关应用中,滤波电容器和平流电容器的ESR值就是很关键的考量值。
电容器是电路设计中必不可少的无源元件。如今,市面上可供选择的电容器规格非常多,因此,要确定哪种电容器最适合您的应用并不是一件容易的事。在电路设计初期,工程师们就需要决定是选用单层电容器(SLC)还是多层陶瓷电容器(MLCC)来满足应用需求。
总的来说,两者似乎有类似的功用,因为无论是SLC还是MLCC,它们都可作电路中的充储电、滤波或旁路之用。要确定哪一种最贴合您的需求,我们不妨从它们各自的基本结构入手进行探讨。SLC是最基本的电容器类型,它的正负电极间仅仅只有一层电介质材料或绝缘层。
MLCC基于SLC设计的基本原理,在单一电容器的电介质中分层嵌入多层电极,由此获取的MLCC的容值相当于多个SLC并联使用的电容量。尽管从厚度上看,MLCC比SLC要略厚,但它却能以更小的体积实现更大的容值——这正是当前对电容器的尺寸、重量和功率(SWaP)比较注重的射频、微波类应用需要考量的关键因素。图1展示了SLC与MLCC的基本结构。
图1. 左边图示为SLC的构造,右边图示为MLCC堆叠的层级。
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SLC较为适合的应用场景
SLC是专门为微波和射频应用而设计的。这是因为SLC固有的自谐振频率(SRF,即电容器会表现出最小阻抗的点)是分立块状定值电容器中最高的。
值得注意的是,一般来说ESR (即与电容器串联的内部电阻) 随频率而变化,所以使用低ESR的电容器是十分必要的。此外,由于SLC是单片集成形式,其包含的机械元件数量有限,这也有助于降低ESR值。
然而,SLC有一个潜在的缺点——由于它只是单层结构,容值在很大程度上取决于所使用的电介质的介电常数,这在一定程度上局限了所能获取的最大容值。因此,SLC主要适用于高频率、低容值的应用。楼氏电容(KPD)是为LC滤波器市场提供定制高值平行板电容器的领导者。
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MLCC较为适合的应用场景
一般来说,MLCC的容值范围比SLC高得多,因此可适用于各种场合。MLCC由多层电介质和电极组成,除了更高的容值外,还能承受更高的工作电压——楼氏电容(KPD)制造的MLCC目前最高耐压可达12kV。然而,由于使用了多层电极和电介质,MLCC的ESR值通常比SLC高得多。因此,MLCC(含高Q值、超低损耗的一级电介质MLCC),只能处理30GHz以下的频率,而SLC可以处理高达100GHz的频率。
在射频和微波应用中,如果对容值和电压同时具有较高的要求,那么MLCC是比较合适的选择;在除射频微波应用之外的其他应用中,MLCC,尤其是楼氏电容(KPD)制造的具有创新设计的MLCC,是医疗植入、汽车电子及高可靠性爆破等严苛性应用的理想之选。
综上所述,由于SLC和MLCC在耐压、频率、容值等参数方面各有千秋,因此在应用中是不可互换的。简而言之,SLC非常适用于高频、低压的射频微波应用,而MLCC可以在更有限的频率范围内适用于各种类型的高压高容应用。