低ESR钽电容器使电路设计与众不同

在为任何应用选择电容器时，必须了解一些关键特性，以便分析其对电路的适用性。在一个简单的电容器等效电路模型中，存在三个影响电路性能的关键特性：电容、等效串联电阻 (ESR) 和电感。这些元素的大小——以及它们如何随温度、频率和施加的电压而变化——对于每种电容器技术都是不同的。

在本技术说明中，我们将研究钽电容器中的 ESR 影响电路性能的方式。ESR 是电容器阻抗的所有纯电阻因素的总和。因此，它是由于加热而造成损失的特性。当电容器工作时，它还会影响充电和放电电流的大小

在固态钽电容器中，影响 ESR 的成分是：

固体电解质体系(MnO 2)

介电层(Ta 2 O 5)

提供与 PCB 连接的端子、引线框架和其他元件

固态钽电容器制造商可以对物理设计和材料进行改进，从而降低电容器的整体 ESR。这些较低 ESR 的电容器将导致电容器内产生的热量减少，从而提高整体电路效率和长期可靠性。ESR 的降低还将提高电容器在充电和放电循环期间提供更高电流的能力，从而提高电路性能。一系列常用值的典型阻抗 (Z) 和 ESR 数据如图 1 所示。

图 1：一系列常用值的典型阻抗 (Z) 和 ESR 数据。

钽电容器非常适合的两个主要功能是大容量储能和波形滤波。

大容量电容除了最大工作电压和电压降额外，任何电容器的一个重要特性是其存储电荷的能力。一些应用需要电容器来存储大量电荷。

固态钽器件因其高且稳定的电容值而非常适合大容量储能，并且广泛用于在峰值电流需求期间保持电压轨。在这里，必须考虑两个因素。第一个是在必要时间内提供所需能量所需的总电容。在某些情况下，单个钽电容器就足够了，但在要求更高的应用中，可以并联配置多个电容器，以便它们的电容值是累积的，并且阵列的组合电阻会降低。第二个因素是电容器的 ESR。较低的 ESR 会导致更高的可交付电流水平和更低的放电期间电压降，从而提高电路性能。

一个例子是为微处理器供电的 3.3V 电源轨上所需的大容量电容。在开启期间，以及在处理要求高的应用中，微处理器将具有必须满足的高电流要求。电容器有效传递大量能量的能力通常以称为“转换速率”的规范为特征，该规范定义为具有指定斜率“A/µs”的“空闲电流”到“峰值电流”。在峰值需求期间，可能需要将电源轨电压保持在要求的规范范围内(例如，下降小于 10% = 0.33 V)。具有较低 ESR 的电容器可以提供更高的放电电流并减少发热，从而更快、更有效地满足这些需求。

设计人员实际上可能会在处理器附近放置几个低电容多层陶瓷电容器 (MLCC) 以提供短期电流，然后在稍远的地方添加更大的大容量存储电容器(钽、聚合物或铝电解设备)以满足长期电流需要。MLCC 的超低 ESR 允许非常高的瞬时电流，但它们的有限电容意味着它们只能在很短的时间内提供所需的电流。在那之后，大容量电容器可以接管并满足所需的电路需求。在此应用中使用较低 ESR 的钽电容器时，对 MLCC 的依赖减少，所需的数量也更少。这节省了 PCB 板空间以及组件成本。它们还通过更坚固的结构提高了板级可靠性。

低 ESR 电容器有多种外壳尺寸可供选择。

使用低 ESR 钽器件作为大容量电容器的另一个优点是减少了充电/放电循环期间的发热。这提高了电路的功率效率并降低了电路的工作温度。它还可以允许使用更小的电源以进一步节省成本。

波形滤波当低 ESR 电容器用于平滑信号时，它们会减少直流总线上出现的纹波电流量，例如开关模式电源 (SMPS) 中的输出滤波电容器。这是通过允许更高的充电/放电电流更好地跟随电压周期并在波形的任何峰值和谷值期间提供能量来实现的。随着纹波电流(峰峰值)的降低，每次充电/放电循环散发的热量也会减少。较低 ESR(和较低电感)的电容器还允许纹波滤波电容器有效地用于具有较高频率 AC 噪声分量的电路中。

考虑一下Vishay TR3 低 ESR 产品线。TR3 一流的 ESR 提高了电路电气性能、电源效率和可靠性(更低的工作温度)。根据外壳尺寸，可提供多种电容/电压 (CV) 选项，每种组合都有特定的 ESR 值(参见图 2 中的 D 案例示例)。

图 2：Vishay 的 TR3 低 ESR 钽电容器的电容/电压选项和 ESR 值。

除了 ESR，设计人员在设计滤波电容器时还必须考虑额定电压、ESL、DCL 和介电特性。钽电容器通常允许非常薄型和紧凑的设计，并由于其坚固的结构而实现了高 PCB 级可靠性。

审核编辑：汤梓红