（电路设计）电容ESR测量表电路.docx

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1、（电路设计）电容ESR测量表电路电容正常运作时是毫无问题的，但有时会遇上电源故障或无法正常运转的问 题。如果这个问题是噪声，那么有个简单的解决办法，只需加入更多的电容即可。 但如果这样也无法解决，究竟是哪出错了呢？问题的根源就在于我们理所当然地将电容看为了理想设备，但它们并非如 此。这些非预期的结果都是因为内部电阻，或者称为等效串联电阻（ESR）。因 为其内部构造的材料，电容拥有有限的内部阻值。同样的还有等效电感（ESL）o 不同种类的电容有着不同的ESR范围。比如电解电容一般比陶瓷电容的ESR 要高。如今许多应用中，得到电容的等效电阻也成了重要的设计因素之一。本次我们将用555定时器和三极管

2、来测量电容的ESRo电容ESR测量ESR测量看起来很简单，施加恒定电流并测量设备的压降可以计算出阻值。如果我们将恒定电流施加到电容上呢？电压线性增加，最后定值到输入电 压，这样的值对计算ESR是毫无用处的。这时候我们要想一下我们在学校里听到的一句话-“电容隔直流通交流”简化后我们可以将电容理解为高频下的短路，其容性部分从电路中切断，而 剩下的电压则施加在内部电阻上。这一方法的优势在于如果我们知道信号源内阻时，就不需要了解电流值为多 少，因为ESR和信号源内阻组成了分压器，其阻值比例及电压比例，知道其中 三个参数就可以知道剩下的一个参数。我们用示波器来测量输入和电容上的波形。所需元器件示波器端5

3、55定时器CMOS和三极管的都可以，但高频的话建议用CMOSo100k电位计用于调整频率InF电容控制时间IOUF陶瓷电容去耦功率级：BC548 NPN三极管BC558 PNP三极管在选择三极管的时候需要注意一一任何高增益的小信号三极管并能承受大 电流（50mA以上）都可以560 Q电阻47Q输出电阻可以选取IoQ至UlooQ范围内的电阻电路图1.555定时器555定时器是一个传统的非稳态多谐振荡器,可以产生几百kHz 的方波。这个频率下，近乎所有电容都等同于短路。而IOOkQ的电位计可以让 我们在电容上得到尽可能低的电压值。2.功率级我们可以将电容直接与555定时器相连，但那样的话我们就必须

4、知 道精确的输出阻抗。为了解决这一问题，这里我们采用一个推挽输出级与一个串联电阻。该电阻 来提供输出阻抗。以下是这个ESR测量电路的实物图。电容ESR的计算从分压器等式我们可以得到以下等式：ESR = (VCAP ROUTPUT) / (VOUTPUT - VCAP)其中ESR为电容内阻，VCAP为电容间的信号电压(于CAP+点测得)， ROUTPUT为功率级的输出电阻(47 ), VOUTPUT为A点测得的输出信号电 压。理想电容只有纯容抗参数，但是在实际生产中是不可能做到的，它会引入阻 抗和感抗，即本节我们解说的ESR,以及ESL方面的知识！ESR是英语EqUiValent Series

5、ReSiStanCe的缩写，意为等效串联电阻。自身不会产生任何能量损耗的完美电容只存在于理论，实际的电容总是存在着一些缺 陷。这个损耗，在外部的表现就像一个电阻跟电容串联在一起。另一方面，由于 引线、卷绕等物理结构因素，电容内部还存在着电感成分。因此，实际电容的等 效模型可以表示为图1所示的模式。其中电容C为理想电容,R为等效串联电阻, 即ESR, L为等效串联电感，即ESL。弓I入ESR和ESL,使得模型更接近于电 容在电路中的实际表现。如下图所示：电容真实等效电路对于理想电容，它的容抗为ljwc,而对于实际电容，它又包含ESR阻抗 R,以及ESL感抗jwl,因此可以得到理想电容与实际电容的

6、复阻抗随频率变化的曲 线，如下所示：10001对于不同容值的阻抗频率曲线如下图:OOo(CE) H1M01Ci 1 Oo k k k O OllllCS O O 1 O 1 Ioo O 1 1 Olo 1 O a(C)器图Oo1OOk1在上图的低频段，电容的容抗在起主要作用，基本上还遵从理想电容的规律。 在中间频率段，本应是ESL与C共同谐振而呈现阻抗深谷，但有ESR的存在, 改变了曲线的走向，换言之，ESR在这里起主要作用。在高频区，则是ESL在 起主要作用。ESR的存在，令电容的行为表现背离其原来的定义。比如说，理论上“电容 两端的电压不能突变、但实际上，ESR上会产生一定的压降，与突然施

7、加的电 流大小有关，令 电容不再遵循理论规律。又如，电容会因ESR上的功耗而产生 内部发热。同样的，在振荡电路等场合，ESR也会引起电路在功能上发生变化， 引起电路失效甚至损坏等严重后果。作者曾将两只早期生产的10F 16V高ESR 电解电容，正常地接到微型计算机开关电源的5V输出两端。由于此处高频脉动 电压较大，电容内部损耗产生的热量加热内部气体，发出“吱吱”之声，竟在几秒 内导致电容炸开，前后两次均是如此。所以在多数场合，低ESR的电容，往往比高ESR的有更好的表现。不过事情也有例外，有些时候，这个ESR也被用来做一些有用的事情。比如在稳压电路中，有一定ESR的电容，在负载发生瞬变的时候，

8、会立即 产生波动而引发反馈电路动作,这个快速的响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价, 获取了后续的快速调整能力，尤其是功率管的响应速度比较慢，并且电容器的体 积/容量受到严格限制的时候。这种情况见于一些使用mos管做调整管的三端稳 压或者相似的电路中。这时候，太低的ESR反而会降低整体性能。实际上，需要更低ESR的场合更多，而低ESR的大容量电容价格相对昂贵, 所以很多开关电源采取的并联的策略，用多个ESR相对高的铝电解并联，形成 一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB空间，换来器件成本的减少，很多 时候都是划算的。和ESR类似的另外一个概念是ESL,也就是等效串联电感。早期的卷制电 容经常有

9、很高的ESL,而且容量越大的电容，ESL一般也越大。ESL经常会成为 ESR的一部分，并且ESL也会引发一些电路故障，比如串联谐振等。但是相对 容量来说，ESL的比例太小，出现问题的几率很小，再加上电容制作工艺的进步, 现在已经逐渐忽略ESL,而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。由ESR引发的电路故障通常很难检测，而且ESR的影响也很容易在设计过 程中被忽视。简单的做法是，在仿真的时候，如果无法选择电容的具体参数，可 以尝试在电容上人为串联一个小电阻来模拟ESR的影响，通常的，铝电容的ESR 通常都在100毫欧以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR 甚至会高达数欧姆。ESR值与纹波电压的关系可以用公式V=R (ESR) Xl表示。这个公式中的 V就表示纹波电压，而R表示电容的ESR, I表示电流。可以看到，当电流增大 的时候，即使在ESR保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高。