[分享] 问题分享：LDO输出电容选择之ESR注意的问题

在LDO的输出电容选择中，都会有一个对电容ESR值的范围的要求，以防止输出震荡的反生。对于消费类电子，多用的是X5R X7R陶瓷电容，而这类的电容的ESR是与频率相关的，即在不同的频率状态下它的ESR相差较大。

 

下面是村田0.1μF 电容GRM155R61A104KA01 的ESR与频率的图形以供参考：

 

 

 

 

现就电容器的阻抗大小|Z|和等价串联电阻(ESR)的频率特性进行阐述。

通过了解电容器的频率特性，可对诸如电源线消除噪音能力和抑制电压波动能力进行判断，可以说是设计回路时不可或缺的重要参数。此处对频率特性中的阻抗大小|Z|和ESR进行说明。

 

1. 电容器的频率特性

如假设角频率为ω，电容器的静电容量为C，则理想状态下电容器(图1)的阻抗Z可用公式
(1)表示。

  
 

　
由公式(1)可看出，阻抗大小|Z|如图2所示，与频率呈反比趋势減少。由于理想电容器中无损耗，故等价串联电阻(ESR)为零。

 

 
图2. 理想电容器的频率特性

但实际电容器(图3)中除有容量成分Ｃ外，还有因电介质或电极损耗产生的电阻（ESR）及电极或导线产生的寄生电感(ESL)。因此，|Z|的频率特性如图4所示呈V字型（部分电容器可能会变为U字型）曲线，ESR也显示出与损耗值相应的频率特性。

 

 
图3. 实际电容器

 

 

图4. 实际电容器的|Z|/ESR频率特性(例)

|Z|和ESR变为图4曲线的原因如下。

 

低频率范围：

低频率范围的|Z|与理想电容器相同，都与频率呈反比趋势减少。ESR值也显示出与电介质分极延迟产生的介质损耗相应的特性。

 

共振点附近：

频率升高，则|Z|将受寄生电感或电极的比电阻等产生的ESR影响，偏离理想电容器（红色虚线），显示最小值。|Z|为最小值时的频率称为自振频率，此时|Z|=ESR。若大于自振频率，则元件特性由电容器转变为电感，|Z|转而增加。低于自振频率的范围称作容性领域，反之则称作感性领域。

ESR除了受介电损耗的影响，还受电极自身抵抗行程的损耗影响。

 

高频范围：

共振点以上的高频率范围中的|Z|的特性由寄生电感(L)决定。高频范围的|Z|可由公式(2)近似得出，与频率成正比趋势增加。

ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响。

 
　
以上为实际电容器的频率特性。重要的是，频率越高，就越不能忽视寄生成分ESR或ESL的影响。随着电容器在高频领域的应用越来越多，ESR和ESL与静电容量值一样，成为表示电容器性能的重要参数。

 

2. 各种电容器的频率特性

以上就电容器寄生成分ESR、ESL对频率特性的巨大影响进行了说明。电容器种类不同，则寄生成分也会有所不同。接下来对不同种类电容器频率特性的区别进行说明。

图5表示静电容量10uF各种电容器的|Z|及ESR的频率特性。除薄膜电容器以外，全是SMD型电容器。

 

 
图5. 各种电容器的|Z|/ESR频率特性

图5所示电容器的静电容量值均为10uF，因此频率不足1kHz的容量范围|Z|均为同等值。但1kHz以上时，铝电解电容器或钽电解电容器的|Z|比多层陶瓷电容器或薄膜电容器大，这是因为铝电解电容器或钽电解电容器的电解质材料的比电阻升高，导致ESR增大。薄膜电容器或多层陶瓷电容器的电极中使用了金属材料，因此ESR很低。

 

多层陶瓷电容器和引脚型薄膜电容器在共振点附近的特性基本相同，但多层陶瓷电容器的自振频率高，感应范围的|Z|则较低。这是由于引脚型薄膜电容器中只有引脚线部分的电感增大了。

由以上结果可以得出，SMD型的多层陶瓷电容器在较宽的频率范围内阻抗都很低，也最适于高频用途。

 

3. 多层陶瓷电容器的频率特性

多层陶瓷电容器可按原材料及形状分为很多种类。下面就这些因素对频率特性的影响进行说明。

 

(1)关于ESR

处于容性领域的ESR由电介质材料产生的介质损耗决定。Class2(种类2)中的高介质率材料因使用强电介质，故有ESR增大的倾向。Class１(种类1)的温度补偿材料因使用一般电介质，因此介质损耗非常小，ESR数值也很小。

 

共振点附近到感性领域的高频领域中的ESR除受电极材料的比电阻率、电极形状（厚度、长度、宽度）、叠层数影响外，还受趋肤效应或接近效应的影响。电极材料多使用Ni，但低损耗型电容器中，有时也会选用比电阻率低的Cu作为电极材料。

 

(2)关于ESL

多层陶瓷电容器的ESL极易受内部电极结构影响。设内部电极大小的长度为l、宽度为w、厚为d时，根据F.W.Grover，电极电感ESL可用公式(3)表示。

　  
由此公式可得知，电容器的电极越短，越宽，越厚，则ESL越小。

图6表示各尺寸多层陶瓷电容器的额定容量与自振频率的关系。相同容量，尺寸越小，自振频率越高，则ESL越小。由此，可以说长度l较短的小型电容器适用于高频领域。

 

 
图6. 各尺寸额定容量值与自振频率的关系

图7为长度l缩短，宽度w增大的LW逆转型电容器。由图8的频率特性可知，即使容量相同，LW逆转型电容器的阻抗低于一般电容器，特性优良。使用LW逆转型电容器，即使数量少于一般电容器，也可获得同等性能，通过减少元件数量可以降低成本，缩减实装面积。

 

 
图7. LW逆转型电容器的外观

 

图8. LW逆转型电容器与通用品的|Z|/ESR

4. 获得频率特性数据的方法

频率特性数据可通过阻抗分析仪或矢量网络分析仪获取。最近，也可在各元器件厂商的Web网站中确认。

 

图9为本公司提供的设计辅助工具"SimSurfing"的图像。可通过选取型号和希望确认的项目，显示特性。还可下载SPICE网络清单或S2P数据作为模拟用数据。方便大家灵活运用到各种电子回路设计中去。

 

 

图9. 设计辅助工具"SimSurfing"图例