作為電路設計的基本因素,等效串聯(lián)電阻(ESR)是對與電容器串聯(lián)的所有非理想電阻的測量。當多層陶瓷電容器(MLCC)處于交流電壓下有電流通過時,其本身由于ESR等造成的損耗會產生熱量,這在當今更復雜、更小的電路系統(tǒng)中會造成各種性能及可靠性問題。
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同樣,品質因子(Q)也是衡量MLCC的重要參數(shù)。和ESR一樣,品質因子與頻率有關,并且難以在整個頻率范圍內進行準確測量。同時相關測量工作需要對所提供的數(shù)據加以驗證,因此直接比較不同公司提供的數(shù)據相當麻煩。
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然而,有一點是肯定的——測量值在很大程度上依賴于導體板、絕緣材料、端頭等方面的電阻情況。ESR值越高,電容器的能量損耗就越大——參考以下方程式:
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其中Rs是等效串聯(lián)電阻ESR(單位為歐姆),DF是耗散因子,Xc是容抗(單位為歐姆)。?
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等效串聯(lián)電阻(ESR)還決定了有多少紋波電流會被轉換為熱能。如上所述,如果功率耗散問題處理不當,高溫會對電容器的性能產生不利影響,并可能導致長時間工作時的元件意外損傷。
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其中P是功率耗散(單位為瓦);I是均方根電流(單位為安培);R是等效串聯(lián)電阻ESR(單位為歐姆)。
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等效串聯(lián)電阻(ESR)可以用以下兩種方法進行測量:
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利用諧振管,其諧振頻率和帶寬受電容器的品質因子和ESR的影響。
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使用阻抗分析儀進行掃頻測量,它可以直接測量特性,但也存在更多內在接觸不良問題。
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需要明確的是,容值和工作電壓是MLCC的兩個定義參數(shù),對材料和設計的良好管控意味著電容器性能的一致性——盡管實際測量到的數(shù)值可能有所不同。
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還需注意的是,將不同來源獲得的數(shù)據、或是在不同時間段測試獲取的數(shù)據進行比較時,可能無法真實地反映出元件在電路中的實際表現(xiàn);同時也需考慮到,這些測試數(shù)據是從安裝在測試夾具中的元件上獲取的,因此也不能完全代表焊接在電路中的實際元件性能。
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此外,元件針對相關應用的適應性也需要通過對電路的評估來加以確認,而提供ESR值和Q值的目的正是為了對MLCC在特定工作頻率范圍內的性能給出一個參考。
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了解等效串聯(lián)電阻(ESR)的值至關重要,因為它決定了該元件是否適用于射頻功率應用。如果ESR值過高,由損耗造成的自熱將過大,元件會因過熱而失效。憑借ESR值還可計算出該元件所能承受的最大額定電流。
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值得一提的是,在高紋波電流應用中,考慮等效串聯(lián)電阻(ESR)的影響也相當重要——如在電動車等一系列相關應用中,濾波電容器和平流電容器的ESR值就是很關鍵的考量值。
電容器是電路設計中必不可少的無源元件。如今,市面上可供選擇的電容器規(guī)格非常多,因此,要確定哪種電容器最適合您的應用并不是一件容易的事。在電路設計初期,工程師們就需要決定是選用單層電容器(SLC)還是多層陶瓷電容器(MLCC)來滿足應用需求。
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總的來說,兩者似乎有類似的功用,因為無論是SLC還是MLCC,它們都可作電路中的充儲電、濾波或旁路之用。要確定哪一種最貼合您的需求,我們不妨從它們各自的基本結構入手進行探討。SLC是最基本的電容器類型,它的正負電極間僅僅只有一層電介質材料或絕緣層。
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MLCC基于SLC設計的基本原理,在單一電容器的電介質中分層嵌入多層電極,由此獲取的MLCC的容值相當于多個SLC并聯(lián)使用的電容量。盡管從厚度上看,MLCC比SLC要略厚,但它卻能以更小的體積實現(xiàn)更大的容值——這正是當前對電容器的尺寸、重量和功率(SWaP)比較注重的射頻、微波類應用需要考量的關鍵因素。圖1展示了SLC與MLCC的基本結構。
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圖1. 左邊圖示為SLC的構造,右邊圖示為MLCC堆疊的層級。
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SLC較為適合的應用場景
SLC是專門為微波和射頻應用而設計的。這是因為SLC固有的自諧振頻率(SRF,即電容器會表現(xiàn)出最小阻抗的點)是分立塊狀定值電容器中最高的。
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值得注意的是,一般來說ESR (即與電容器串聯(lián)的內部電阻) 隨頻率而變化,所以使用低ESR的電容器是十分必要的。此外,由于SLC是單片集成形式,其包含的機械元件數(shù)量有限,這也有助于降低ESR值。
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然而,SLC有一個潛在的缺點——由于它只是單層結構,容值在很大程度上取決于所使用的電介質的介電常數(shù),這在一定程度上局限了所能獲取的最大容值。因此,SLC主要適用于高頻率、低容值的應用。樓氏電容(KPD)是為LC濾波器市場提供定制高值平行板電容器的領導者。
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MLCC較為適合的應用場景
一般來說,MLCC的容值范圍比SLC高得多,因此可適用于各種場合。MLCC由多層電介質和電極組成,除了更高的容值外,還能承受更高的工作電壓——樓氏電容(KPD)制造的MLCC目前最高耐壓可達12kV。然而,由于使用了多層電極和電介質,MLCC的ESR值通常比SLC高得多。因此,MLCC(含高Q值、超低損耗的一級電介質MLCC),只能處理30GHz以下的頻率,而SLC可以處理高達100GHz的頻率。
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在射頻和微波應用中,如果對容值和電壓同時具有較高的要求,那么MLCC是比較合適的選擇;在除射頻微波應用之外的其他應用中,MLCC,尤其是樓氏電容(KPD)制造的具有創(chuàng)新設計的MLCC,是醫(yī)療植入、汽車電子及高可靠性爆破等嚴苛性應用的理想之選。
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綜上所述,由于SLC和MLCC在耐壓、頻率、容值等參數(shù)方面各有千秋,因此在應用中是不可互換的。簡而言之,SLC非常適用于高頻、低壓的射頻微波應用,而MLCC可以在更有限的頻率范圍內適用于各種類型的高壓高容應用。