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電容器指南

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本專欄為解說電容器基礎的技術專欄。
現就電容器的阻抗大小|Z|和等價串聯電阻(ESR)的頻率特性進行闡述。
通過了解電容器的頻率特性,可對諸如電源線消除噪音能力和抑制電壓波動能力進行判斷,可以說是設計回路時不可或缺的重要參數。此處對頻率特性中的阻抗大小|Z|和ESR進行說明。

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如假設角頻率為ω,電容器的靜電容量為C,則理想狀态下電容器(圖1)的阻抗Z可用公式
(1)表示。

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圖1. 理想電容器
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由公式(1)可看出,阻抗大小|Z|如圖2所示,與頻率呈反比趨勢減少。由于理想電容器中無損耗,故等價串聯電阻(ESR)為零。

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圖2. 理想電容器的頻率特性

但實際電容器(圖3)中除有容量成分C外,還有因電介質或電極損耗産生的電阻(ESR)及電極或導線産生的寄生電感(ESL)。因此,|Z|的頻率特性如圖4所示呈V字型(部分電容器可能會變為U字型)曲線,ESR也顯示出與損耗值相應的頻率特性。

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圖3. 實際電容器
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圖4. 實際電容器的|Z|/ESR頻率特性(例)

|Z|和ESR變為圖4曲線的原因如下。

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低頻率範圍的|Z|與理想電容器相同,都與頻率呈反比趨勢減少。ESR值也顯示出與電介質分極延遲産生的介質損耗相應的特性。

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頻率升高,則|Z|将受寄生電感或電極的比電阻等産生的ESR影響,偏離理想電容器(紅色虛線),顯示最小值。|Z|為最小值時的頻率稱為自振頻率,此時|Z|=ESR。若大于自振頻率,則元件特性由電容器轉變為電感,|Z|轉而增加。低于自振頻率的範圍稱作容性領域,反之則稱作感性領域。

ESR除了受介電損耗的影響,還受電極自身抵抗行程的損耗影響。

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共振點以上的高頻率範圍中的|Z|的特性由寄生電感(L)決定。高頻範圍的|Z|可由公式(2)近似得出,與頻率成正比趨勢增加。

ESR逐漸表現出電極趨膚效應及接近效應的影響。

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以上為實際電容器的頻率特性。重要的是,頻率越高,就越不能忽視寄生成分ESR或ESL的影響。随着電容器在高頻領域的應用越來越多,ESR和ESL與靜電容量值一樣,成為表示電容器性能的重要參數。

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以上就電容器寄生成分ESR、ESL對頻率特性的巨大影響進行了說明。電容器種類不同,則寄生成分也會有所不同。接下來對不同種類電容器頻率特性的區别進行說明。

圖5表示靜電容量10uF各種電容器的|Z|及ESR的頻率特性。除薄膜電容器以外,全是SMD型電容器。

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圖5. 各種電容器的|Z|/ESR頻率特性

圖5所示電容器的靜電容量值均為10uF,因此頻率不足1kHz的容量範圍|Z|均為同等值。但1kHz以上時,鋁電解電容器或钽電解電容器的|Z|比多層陶瓷電容器或薄膜電容器大,這是因為鋁電解電容器或钽電解電容器的電解質材料的比電阻升高,導緻ESR增大。薄膜電容器或多層陶瓷電容器的電極中使用了金屬材料,因此ESR很低。

多層陶瓷電容器和引腳型薄膜電容器在共振點附近的特性基本相同,但多層陶瓷電容器的自振頻率高,感應範圍的|Z|則較低。這是由于引腳型薄膜電容器中隻有引腳線部分的電感增大了。

由以上結果可以得出,SMD型的多層陶瓷電容器在較寬的頻率範圍内阻抗都很低,也最适于高頻用途。

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多層陶瓷電容器可按原材料及形狀分為很多種類。下面就這些因素對頻率特性的影響進行說明。

(1)關于ESR
處于容性領域的ESR由電介質材料産生的介質損耗決定。Class2(種類2)中的高介質率材料因使用強電介質,故有ESR增大的傾向。Class1(種類1)的溫度補償材料因使用一般電介質,因此介質損耗非常小,ESR數值也很小。

共振點附近到感性領域的高頻領域中的ESR除受電極材料的比電阻率、電極形狀(厚度、長度、寬度)、疊層數影響外,還受趨膚效應或接近效應的影響。電極材料多使用Ni,但低損耗型電容器中,有時也會選用比電阻率低的Cu作為電極材料。

(2)關于ESL
多層陶瓷電容器的ESL極易受内部電極結構影響。設内部電極大小的長度為l、寬度為w、厚為d時,根據F.W.Grover,電極電感ESL可用公式(3)表示。

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由此公式可得知,電容器的電極越短,越寬,越厚,則ESL越小。
圖6表示各尺寸多層陶瓷電容器的額定容量與自振頻率的關系。相同容量,尺寸越小,自振頻率越高,則ESL越小。由此,可以說長度l較短的小型電容器适用于高頻領域。

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圖6. 各尺寸額定容量值與自振頻率的關系

圖7為長度l縮短,寬度w增大的LW逆轉型電容器。由圖8的頻率特性可知,即使容量相同,LW逆轉型電容器的阻抗低于一般電容器,特性優良。使用LW逆轉型電容器,即使數量少于一般電容器,也可獲得同等性能,通過減少元件數量可以降低成本,縮減實裝面積。

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圖7. LW逆轉型電容器的外觀
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圖8. LW逆轉型電容器與通用品的|Z|/ESR

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頻率特性數據可通過阻抗分析儀或矢量網絡分析儀獲取。最近,也可在各元器件廠商的Web網站中确認。

圖9為本公司提供的設計輔助工具"SimSurfing"的圖像。可通過選取型号和希望确認的項目,顯示特性。還可下載SPICE網絡清單或S2P數據作為模拟用數據。方便大家靈活運用到各種電子回路設計中去。

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圖9. 設計輔助工具"SimSurfing"圖例(點擊放大)

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負責:株式會社村田制作所 組件事業總部 A.S

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