在為任何應(yīng)用選擇電容器時(shí)，必須了解一些關(guān)鍵特性，以便分析其對(duì)電路的適用性。在一個(gè)簡(jiǎn)單的電容器等效電路模型中，存在三個(gè)影響電路性能的關(guān)鍵特性：電容、等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和電感。這些元素的大小——以及它們?nèi)绾坞S溫度、頻率和施加的電壓而變化——對(duì)于每種電容器技術(shù)都是不同的。

在本技術(shù)說(shuō)明中，我們將研究鉭電容器中的 ESR 影響電路性能的方式。ESR 是電容器阻抗的所有純電阻因素的總和。因此，它是由于加熱而造成損失的特性。當(dāng)電容器工作時(shí)，它還會(huì)影響充電和放電電流的大小

在固態(tài)鉭電容器中，影響 ESR 的成分是：

固體電解質(zhì)體系(MnO 2)

介電層(Ta 2 O 5)

提供與 PCB 連接的端子、引線框架和其他元件

固態(tài)鉭電容器制造商可以對(duì)物理設(shè)計(jì)和材料進(jìn)行改進(jìn)，從而降低電容器的整體 ESR。這些較低 ESR 的電容器將導(dǎo)致電容器內(nèi)產(chǎn)生的熱量減少，從而提高整體電路效率和長(zhǎng)期可靠性。ESR 的降低還將提高電容器在充電和放電循環(huán)期間提供更高電流的能力，從而提高電路性能。一系列常用值的典型阻抗 (Z) 和 ESR 數(shù)據(jù)如圖 1 所示。

圖 1：一系列常用值的典型阻抗 (Z) 和 ESR 數(shù)據(jù)。

鉭電容器非常適合的兩個(gè)主要功能是大容量?jī)?chǔ)能和波形濾波。

大容量電容除了最大工作電壓和電壓降額外，任何電容器的一個(gè)重要特性是其存儲(chǔ)電荷的能力。一些應(yīng)用需要電容器來(lái)存儲(chǔ)大量電荷。

固態(tài)鉭器件因其高且穩(wěn)定的電容值而非常適合大容量?jī)?chǔ)能，并且廣泛用于在峰值電流需求期間保持電壓軌。在這里，必須考慮兩個(gè)因素。第一個(gè)是在必要時(shí)間內(nèi)提供所需能量所需的總電容。在某些情況下，單個(gè)鉭電容器就足夠了，但在要求更高的應(yīng)用中，可以并聯(lián)配置多個(gè)電容器，以便它們的電容值是累積的，并且陣列的組合電阻會(huì)降低。第二個(gè)因素是電容器的 ESR。較低的 ESR 會(huì)導(dǎo)致更高的可交付電流水平和更低的放電期間電壓降，從而提高電路性能。

一個(gè)例子是為微處理器供電的 3.3V 電源軌上所需的大容量電容。在開啟期間，以及在處理要求高的應(yīng)用中，微處理器將具有必須滿足的高電流要求。電容器有效傳遞大量能量的能力通常以稱為“轉(zhuǎn)換速率”的規(guī)范為特征，該規(guī)范定義為具有指定斜率“A/μs”的“空閑電流”到“峰值電流”。在峰值需求期間，可能需要將電源軌電壓保持在要求的規(guī)范范圍內(nèi)(例如，下降小于 10% = 0.33 V)。具有較低 ESR 的電容器可以提供更高的放電電流并減少發(fā)熱，從而更快、更有效地滿足這些需求。

設(shè)計(jì)人員實(shí)際上可能會(huì)在處理器附近放置幾個(gè)低電容多層陶瓷電容器 (MLCC) 以提供短期電流，然后在稍遠(yuǎn)的地方添加更大的大容量存儲(chǔ)電容器(鉭、聚合物或鋁電解設(shè)備)以滿足長(zhǎng)期電流需要。MLCC 的超低 ESR 允許非常高的瞬時(shí)電流，但它們的有限電容意味著它們只能在很短的時(shí)間內(nèi)提供所需的電流。在那之后，大容量電容器可以接管并滿足所需的電路需求。在此應(yīng)用中使用較低 ESR 的鉭電容器時(shí)，對(duì) MLCC 的依賴減少，所需的數(shù)量也更少。這節(jié)省了 PCB 板空間以及組件成本。它們還通過(guò)更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)提高了板級(jí)可靠性。

低 ESR 電容器有多種外殼尺寸可供選擇。

使用低 ESR 鉭器件作為大容量電容器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減少了充電/放電循環(huán)期間的發(fā)熱。這提高了電路的功率效率并降低了電路的工作溫度。它還可以允許使用更小的電源以進(jìn)一步節(jié)省成本。

波形濾波當(dāng)?shù)?ESR 電容器用于平滑信號(hào)時(shí)，它們會(huì)減少直流總線上出現(xiàn)的紋波電流量，例如開關(guān)模式電源 (SMPS) 中的輸出濾波電容器。這是通過(guò)允許更高的充電/放電電流更好地跟隨電壓周期并在波形的任何峰值和谷值期間提供能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隨著紋波電流(峰峰值)的降低，每次充電/放電循環(huán)散發(fā)的熱量也會(huì)減少。較低 ESR(和較低電感)的電容器還允許紋波濾波電容器有效地用于具有較高頻率 AC 噪聲分量的電路中。

考慮一下Vishay TR3 低 ESR 產(chǎn)品線。TR3 一流的 ESR 提高了電路電氣性能、電源效率和可靠性(更低的工作溫度)。根據(jù)外殼尺寸，可提供多種電容/電壓 (CV) 選項(xiàng)，每種組合都有特定的 ESR 值(參見(jiàn)圖 2 中的 D 案例示例)。

圖 2：Vishay 的 TR3 低 ESR 鉭電容器的電容/電壓選項(xiàng)和 ESR 值。

除了 ESR，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)濾波電容器時(shí)還必須考慮額定電壓、ESL、DCL 和介電特性。鉭電容器通常允許非常薄型和緊湊的設(shè)計(jì)，并由于其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)了高 PCB 級(jí)可靠性。

審核編輯：湯梓紅