低ESR钽电容及其在电路设计中的重要作用

电容器的选择关键

针对任何应用选择电容器时，必须了解一些关键特性，以便分析其电路适用性。在简单的电容器等效电路模型中，三个关键特性影响电路性能：

电容、等效串联电阻（ESR）和电感。

本技术说明中，我们将研究钽电容器的ESR如何影响电路性能。ESR是构成电容器阻抗所有纯阻性负载的总和。因此，这是一种热损耗特性。电容器工作时，还会影响充放电电流的大小。在固体钽电容器中，ESR由以下几个部分的阻抗构成：

● 固体电解质系统（MnO2）

● 介电层（Ta2O5）

● 端子、引线框和其他连接PCB的元件

固体钽电容器制造商可在物理设计和材料方面做出改进，降低电容器的整体 ESR。这些ESR较低的电容器可以减少电容器内部产生的热量，从而提高整体电路效率和长期可靠性。降低ESR还可以增加电容器充放电期间的电流，从而提高电路性能。常见的阻抗（Z）和ESR数据典型值如图1所示。

图 1：ESR典型数据值

钽电容器两个主要功能为：大容量储能和纹波滤波。我们将在下面更详细地讨论这些应用。

1 大容量

除了最大工作电压和电压降额，电容器的一个重要特性是存储电荷的能力。有些应用要求电容器存储大量电荷。固体钽电容器具有高度稳定的容值，非常适合大容量储能，广泛用于峰值电流期间保持电压稳定。这方面，必须考虑两个因素。

● 首先是电容提供必要能量所需的总容量。有些情况下，单个钽电容器就足够了，但在更苛刻的应用中，需要并联配置多个电容器，它们的容值累加，阵列的组合电阻减小。

● 第二个因素是电容器的ESR。ESR小可以增加传输的电流量，降低放电期间的压降，改善电路性能。

通过3.3V电源为微处理器供电时就需要这种大容量电容。对于处理需求较大的应用，在开启后，必须为微处理器提供满足需求的大电流。电容器有效提供这种大容量的能力通常称为“转换速率”，定义为“空闲电流”除以“峰值电流”的转换，以 “A/μs”表示。峰值需求期间，电轨电压可能需要保持在规定范围以内（例如，压降小于10%=0.33V）。ESR小的电容器可以提供更高的放电电流，同时减少热量的产生，更快、更有效地满足这些要求。

设计师实际上可在处理器附近放置几个低容量多层陶瓷电容器（MLCC）用于短时供电，在稍远的位置增加大容量电容器（钽电容、聚合物电容或铝电解电容），满足长期电流需求。超低ESR的MLCC可以提供非常高的瞬时电流，但其有限的容量意味着只能在短时间内提供所需电流。之后，大容量电容器可以用来满足电路需求。这种应用中使用较低ESR钽电容器，可以降低MLCC的依赖，减少其所需数量，从而节省PCB板空间和元件成本。同时，有助于利用更坚固的结构提高板级可靠性。

图2：各种外形尺寸的低ESR电容器

低ESR钽电容用作大容量电容器的另一个优点是减少充/放电过程中产生热量。这样可以提高电路功效，降低电路的工作温度。而且可以使用更小的电源，进一步节省成本。

2 纹波滤波

使用低ESR电容实现平滑信号，可以减少DC总线中的纹波电流，例如，开关电源 （SMPS）中的输出滤波电容。这样可以提高波形峰谷期间电压周期和电源的充/放电电流。由于减少了纹波电流（峰-峰），每次充电/放电周期产生的热量更少。低ESR（低电感）电容器还便于具有高频AC噪声分量的电路有效利用纹波滤波电容器。

以Vishay TR3低ESR产品线，TR3同类最佳ESR提高电路电气性能、功效和可靠性（降低工作温度）。此系列器件以不同的外形尺寸提供多种电容/电压（CV）选择，每种组合含有特定ESR值（见图3，D型示例）。

图 3：各电容/电压组合的ESR值

除ESR之外，设计人员滤波电容设计还必须考虑额定电压、ESL、DCL和介电特性。钽电容器通常采用超薄紧凑设计，其坚固的结构可实现PCB级高可靠性。