通常認為開關電源的輸出濾波電容越大越好,其實這種觀點是不全面的,影響開關電源直流電壓輸出品質的最重要參數其實是電容的ESR值。
電容的ESR是指電容的等效串聯電阻或阻抗。
理想的電容器是沒有電阻的。但是實際上,任何電容都有電阻,這個電阻值和電容的組成材料、結構有關系。在開關電源技術大規模應用之前,普遍采用線性電源,電源電路都工作在低頻直流狀態,通過濾波整流電路把交流轉換成直流。在低頻直流電源中,電容的容量對濾波效果起決定作用,電容的串聯阻抗作用可以忽略。 但是低頻電源效率低,體積大的缺點非常明顯。
由于電子技術的進步,近二十年來逐漸發展了脈寬調制的高頻開關電源技術,大大地提高了電源的轉換效率,也減小了電源的體積。開關電源的工作頻率越高,電源的體積就越小。開關電源的工作頻率從幾十KHz到幾MHz不等。在開關電源中,電容的ESR直接影響到電容的效果,它比電容器的容量還重要,事實上我們所說的電容器的容量一般都是在120Hz下測量的值,當工作頻率提高時,電容容量會急劇降低,甚至根本不能起到電容的作用。一般而言,應該選擇ESR相對較小的電容。 在不同類型的電容中,以電解電容的ESR通常最大,鉭電容次之,陶瓷電容最佳。當然,即使是電解電容中,也分普通電解電容和低ESR的電解電容。用在開關電源輸出濾波的應該采用低ESR的電解電容。在維修中,如果用普通電解電容替換低ESR的電解電容,開關電源可能短時間能工作,但是壽命肯定不長。弄不好,電容很快因為損耗太大而爆裂甚至爆炸,所以更換電容應該小心。同樣容量同樣耐壓的電解電容,體積大的往往ESR小。同樣容量不同耐壓的電解電容,耐壓高度往往ESR小。同樣耐壓同樣容量的電容,105度比85度的ESR要小。當然,這也不是絕對的,對于同一廠家同一系列的電解電容,基本上成立。
理想的的電容器,本身不會產生任何能量損失,在實際應用中,由于生產電容的材料有電阻率,電容的絕緣介質有損耗,這個損耗可以等效為一個電阻跟電容串聯在一起,稱為電容的等效串聯電阻,英文簡稱ESR,是Equivalent Series Resistance的縮寫。
一般認為電容兩端的電壓不能突變,當突然對電容施加一個電流,電容因為自身充電,電壓會從零開始上升。但是有了ESR的附加影響,等效串聯電阻自身會產生電壓降,這就導致電容器兩端的電壓會產生突變。很多情況下,這會導致電容的濾波效果變差,所以很多高質量的開關電源,對輸出端的濾波電容要求很高,要求選用低ESR的電容器。
在振蕩電路中,ESR也會引起電路功能上失調,造成電路失效甚至損壞等嚴重后果。所以在多數場合,低ESR的電容,往往比高ESR的有更好的表現。
不過也有例外,有些時候ESR也不是一無是處。在穩壓電路中,有一定ESR的電容,在負載發生瞬變的時候,會立即產生波動而引發反饋電路動作,這類快速的響應,以犧牲一定的瞬態性能為代價,獲取了后續的快速調整能力,尤其是功率管的響應速度比較慢,并且電容器的體積和容量受到嚴格限制的時候。這種情形可見于一些使用mos功率管做調整管的三端穩壓或者類似的電路中。這種應用場合,太低的ESR反而會降低整體性能。
實際上,需要更低ESR的場合更多,而低ESR的大容量電容價格相對昂貴,所以很多開關電源多采取并聯的方法,用多個ESR相對高的鋁電解或固態電容并聯,組合成一個低ESR的大容量電容。犧牲一定的PCB電路板空間,換來器件成本的減少。
和ESR類似的另外一個概念是ESL,也就是等效串聯電感。早期的卷制電容經常有很高的ESL,而且容量越大的電容,ESL一般也越大。ESL經常會成為ESR的一部分,并且ESL也會引發一些電路故障,比如串聯諧振等。但是相對容量來說,ESL的比例太小,出現問題的幾率很小,再加上電容制作工藝的進步,現在已經逐漸忽略ESL,而把ESR作為除容量之外的主要參考因素了。
電容器還存在一個和電感類似的品質系數Q,這個系數反比于ESR,并且和頻率相關,也比較少使用。
由ESR引發的電路故障通常很難檢測,而且ESR的影響也很容易在設計過程中被忽視。簡單的做法是,在仿真的時候,如果無法選擇電容的具體參數,可以嘗試在電容上人為串聯一個小電阻來模擬ESR的影響,通常的,鉭電容的ESR通常都在100毫歐以下,而鋁電解電容則高于這個數值,有些種類電容的ESR甚至會高達數歐姆。
ESR值與紋波電壓的關系可以用歐姆定律V=R(ESR)×I來表示。公式中的V就表示紋波電壓,而R表示電容的ESR,I表示電流。可以看到,當電流增大的時候,即使在ESR保持不變的情況下,紋波電壓也會成倍提高。
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