電容器的選擇關鍵

 

針對任何應用選擇電容器時，必須了解一些關鍵特性，以便分析其電路適用性。在簡單的電容器等效電路模型中，三個關鍵特性影響電路性能：

 

電容、等效串聯電阻（ESR）和電感。

 

本技術說明中，我們將研究鉭電容器的ESR如何影響電路性能。ESR是構成電容器阻抗所有純阻性負載的總和。因此，這是一種熱損耗特性。電容器工作時，還會影響充放電電流的大小。在固體鉭電容器中，ESR由以下幾個部分的阻抗構成：

 

● 固體電解質系統（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計和材料方面做出改進，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部產生的熱量，從而提高整體電路效率和長期可靠性。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。常見的阻抗（Z）和ESR數據典型值如圖1所示。

 

圖 1：ESR典型數據值

 

鉭電容器兩個主要功能為：大容量儲能和紋波濾波。我們將在下面更詳細地討論這些應用。

 

1 大容量

 

除了最大工作電壓和電壓降額，電容器的一個重要特性是存儲電荷的能力。有些應用要求電容器存儲大量電荷。固體鉭電容器具有高度穩定的容值，非常適合大容量儲能，廣泛用于峰值電流期間保持電壓穩定。這方面，必須考慮兩個因素。

 

● 首先是電容提供必要能量所需的總容量。有些情況下，單個鉭電容器就足夠了，但在更苛刻的應用中，需要并聯配置多個電容器，它們的容值累加，陣列的組合電阻減小。

● 第二個因素是電容器的ESR。ESR小可以增加傳輸的電流量，降低放電期間的壓降，改善電路性能。

 

通過3.3V電源為微處理器供電時就需要這種大容量電容。對于處理需求較大的應用，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“轉換速率”，定義為“空閑電流”除以“峰值電流”的轉換，以 “A/μs”表示。峰值需求期間，電軌電壓可能需要保持在規定范圍以內（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，同時減少熱量的產生，更快、更有效地滿足這些要求。

 

設計師實際上可在處理器附近放置幾個低容量多層陶瓷電容器（MLCC）用于短時供電，在稍遠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），滿足長期電流需求。超低ESR的MLCC可以提供非常高的瞬時電流，但其有限的容量意味著只能在短時間內提供所需電流。之后，大容量電容器可以用來滿足電路需求。這種應用中使用較低ESR鉭電容器，可以降低MLCC的依賴，減少其所需數量，從而節省PCB板空間和元件成本。同時，有助于利用更堅固的結構提高板級可靠性。

 

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優點是減少充/放電過程中產生熱量。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，進一步節省成本。

 

2 紋波濾波

 

使用低ESR電容實現平滑信號，可以減少DC總線中的紋波電流，例如，開關電源 （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（見圖3，D型示例）。

 

圖 3：各電容/電壓組合的ESR值

 

除ESR之外，設計人員濾波電容設計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計，其堅固的結構可實現PCB級高可靠性。

 

 

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