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任何一个电容都会存在ESR,在电容电极之间始终都存在着一个电气性的电阻,如金属引脚电阻、电极极板电阻、以及它们之间的连接电阻等等。
铝电解电容还包括存在于湿的电解质溶液的电阻、以及含有高电平“水”的铝氧化物(水合氧化铝)中的电阻等。
下图表示了电解电容ESR的形成因素。
现在电子技术正朝着低电压高电流电路的设计方向发展,供应给元器件的电压呈现越来越低的趋势,但对功率的要求却丝毫没有降低。按P=UI的公式来计算,要获得同样的功率,电压降低了,那就必须得增大电流。例如INTEL、AMD的最新款CPU,电压均小于2V,和以前3、 4V的电压相比低得多。但另一方面这些芯片由于晶体管和频率的激增,需求的功耗却是增大了许多,对电流的要求就越来越高了。例如两颗功率都是70W的CPU,前者电压是3.3V,后者电压是1.8V。那么,前者的电流I=P/U=70W/3.3V=21.2A;而后者的电流I=P/U=70W/1.8V=38.9A,将近是前者电流的两倍。在通过电容的电流越来越高的情况下,假如电容的ESR值不能保持在一个较小的范围,那么就会产生更高的纹波电压(理想的输出直流电压应该是一条水平线,而纹波电压则是水平线上的波峰和波谷),因此就促使工程师在设计时,要使用最小的ESR电容器。
ESR值与纹波电压的关系可以用公式V=R(ESR)×I表示。这个公式中的V就表示纹波电压,而R表示电容的ESR,I表示电流。ESR较高的电容,随着内部发热越来越严重,电解液干枯的速度加快,形成恶性循环,并导致电路故障。可以看到,当电流增大的时候,即使在ESR保持不变的情况下,纹波电压也会成倍提高,因此采用更低ESR值的电容是势在必行的。
首先,管脚引脚和电容电极极板金属的电阻可以忽略,因为它们都非常小。
造成高ESR的两个常见因素是:
1)不良的电气连接;
2)电解溶液的干枯。
对于1),新、旧电解电容都有可能出现;对于2)多数都是发生在旧电解电容上。
不良的电气连接问题主要是由于连接于电容内部的管脚引线不是铝金属材料,而且一直以来铝是不可焊的材料。
对于铝质的电极极板材料和铜质的管脚材料来说,其电气连接主要采用所谓的“焊接”和机械压接方式。但是这两种方式都会产生较高的ESR。
随着电解液水分的挥发,ESR也随之增大。