标签: esr

全面了解铝电解电容 转载-- 硬件攻城狮 2022-01-02 14:24 1、前言 铝电解电容是目前除了陶瓷电容之外用得最广泛的电容品种了，因此，作为硬件工程师，必须熟练的掌握其特性。 笔者结合自身经验，通过查阅各种资料，针对硬件设计需要掌握的重点及难点，总结了此文档。通过写文档，目的是能够使自己的知识更具有系统性，温故而知新，同时也希望对读者有所帮助，大家一起学习和进步。 2、铝电解电容器概述 2.1、基本模型 电容器是无源器件，在各种电容器中，铝电解电容器与其他电容器相比，相同尺寸时，CV值更大，价格更便宜。电容器的基本模型如图所示。 静电容量计算式如下： 其中，为介电常数，S为两极板正对表面积，d为两极板件距离（电介质厚度）。 从式中可以看出：静电容量与介电常数，极板表面积成正比、与两极板间距离成反比。作为铝电解电容器的电介质氧化膜(Al2O3)的 介电常数通常为8~10 ，这个值一般不比其他类型的电容器大，但是，通过对 铝箔进行蚀刻扩大表面积 ，并使用电化学的处理得到更薄更耐电压的氧化电介质层，使铝电解电容器可以取得比其他电容器更大的单位面积CV值。 铝电解电容器主要构成如下： 阳极-----铝箔 电介质---阳极铝箔表面形成的氧化膜（Al2O3) 阴极-----真正的阴极是电解液 其他的组成成分包括浸有电解液的电解纸，和电解液相连的阴极箔。综上所述，铝电解电容器是有极性的非对称构造的元件。两个电极都使用阳极铝箔的是两极性（无极性）电容。 2.2、 基本构造 铝电解电容器素子的构造如图所示，由阳极箔，电解纸，阴极箔和端子（内外部端子）卷绕在一起含浸电解液后装入铝壳，再用橡胶密封而成。 2.3、材料的特性 铝箔是铝电解电容器主要材料，将铝箔设置为阳极，在电解液中通电后，铝箔的表面会形成氧化膜(Al2O3)，此氧化膜的功能为电介质。 形成氧化膜后的铝箔在电解液中是具有整流特性的金属，就像是一个二极管，被称之为阀金属。 ①阳极铝箔 首先，为了扩大表面积，将铝箔材料置于氯化物水溶液中进行电化学蚀刻。然后，在硼酸铵溶液中施加高于额定电压的电压后，在铝箔表面形成电介质氧化层（Al2O3），这个电介质层是很薄很致密的氧化膜，大概1.1~1.5nm/V , 绝缘电阻大约为10^8~10^9Ω /m。 氧化层的厚度和耐压成正比 。 ②阴极铝箔 同阳极箔一样，阴极铝箔同样有蚀刻的程序，但是没有氧化的程序。因此，阴极铝箔表面只有少量的自然氧化形成的(Al2O3)， 能承受的电压只有0.5V左右 。 ③电解液 电解液是由离子导电的液体，是真正意义上的阴极 ，起着连接阳极铝箔表面电介质层的作用。而阴极铝箔类似集电极一样起着连接真正阴极和内部电路的作用。电解液是决定电容器特性（温度特性，频率特性，使用寿命等）的关键材料。 ④电解纸 电解纸主要起着均衡电解液的分布并保持阴极箔和阳极箔间隔的作用。 2.4、制作过程 ①蚀刻（扩大表面积） 蚀刻的作用是扩大铝箔表面积。蚀刻是在氯化物溶液中施加交流或直流电流的电化学过程。 ②化成（形成电介质层） 化成是在阳极铝箔表面形成电介质层（Al2O3）的过程。一般将化成过的铝箔作为阳极使用。 ③裁剪 按照不同产品的尺寸要求将铝箔（阴极箔和阳极箔）和电解纸剪切为需要的尺寸。 ④卷绕 将阴极箔和阳极箔之间插入电解纸，然后卷绕成圆柱形，在卷绕工艺上阴极箔和阳极箔上连接端子。 ⑤含浸 含浸是将素子浸入电解液中的过程。电解液能对电介质层进一步修复。 ⑥密封 密封是将素子装入铝壳中后用封口材料（橡胶，橡胶盖等）密封的过程。 ⑦老化（再化成） 老化是对密封后的电容器在高温下施加电压的过程。这个过程能将裁剪和卷绕过程时 电介质层的一些受损进行修复 。 ⑧全检，包装 老化之后，将对所有产品进行电气特性检查。并进行端子加工，编带等。最后进行包装。 3、基本特性 3.1、静电容量 电极表面积越大，容量（储存电荷的能力）越大。铝电解电容器的静电容量值是在 20℃，120Hz /0.5V 的交流电条件下测试的值。 ①温度升高，容量也会升高；温度降低，容量也会降低。 ②频率越高，容量越小；频率越低，容量越大。 3.2、损耗角 电解电容等效电路如上图（忽略了绝缘电阻），当频率为120Hz（一般电容器标称的损耗角就是在此频率下测得的）时，频率相对等效串联电感L非常低，因此可以忽略L，损耗角模型如下图： 可以得到损耗角公式： 损耗角与温度的关系如下图，温度越高，损耗角越小。 在低温的时候，可以看到损耗角变大很多，在20℃时是0.05，在-40℃时是0.09，根据公式说明 ESR增大了接近1倍 。 3.3、漏电流 漏电流是铝电解电容器特性之一，当施加直流电压时，电介质氧化层允许很小的电流通过，这一部分小电流称为漏电流。理想的电容器是不会产生漏电流的情况（和充电电流不一样，即使电压恒定，这个电流也是持续存在的）。 漏电流会随时间而变化，如图所示、随时间而减小后会达到一个稳定值。因此，漏电流的规格值为20℃下施加额定电压一段时间之后所测量的值。 当温度升高时，漏电流增加 ；温度降低，漏电流减少施加的电压降低，漏电流值也会减少。 3.4、阻抗-频率曲线 根据模型，电容器的复阻抗为： 阻抗的模值： 画出阻抗-频率曲线如下图： 1/ωC是容抗，图中容抗的直线向下角成45°角。ωL是感抗、它的直线向右上角成45°角。R代表等效串联电阻。 在低频率区间，有频率依存性的电介质损失影响大，因而R曲线向下。在高频区间，电解液和电解纸的阻值占主导地位，不再受频率的影响，因而R值趋于稳定 。 4、普通铝电解电容参数 厂家一般都有各种系列的电解电容，低ESR的，长寿命的，高温的。而普通品是性能最低的，是最便宜的， 一般温度和寿命参数是85℃/105℃-1000h/2000h、本节这里说的也是这种铝电解电容 。 4.1、ESR参数 首先，一般厂家是不会直接给出普通铝电解电容的ESR值，但是会给出损耗角参数，此时的损耗角是在120Hz时的（损耗角与频率有关系）。 下面是几个品牌的最普通的铝电解电容100uF-16V的参数，按照上述方法计算得120Hz的ESR值如下表。 100uF-16V普通铝电解电容ESR值 品牌 温度-寿命 尺寸：直径*高度 纹波电流120Hz 损耗角20℃ ESR/120Hz( 计算值 ) 红宝石 85℃-2000h 6.3*5.5 86mA 0.18 2.39Ω 8*6.5 135mA 0.2 2.65Ω 绿宝石 85℃-2000h 5*11 164mA 0.2 2.65Ω 松下 85℃-1000h 6.3*5.4 70mA 0.26 3.84Ω 85℃-2000h 6.3*5.4 200mA 0.2 2.65Ω 尼吉康 85℃-2000h 6.3*n 86mA 0.19 2.52Ω 可以看到，如果容值和额定电压值确定，各个厂家的ESR相差不大 。 另外，也可以发现，封装（尺寸大小）不同，对ESR的影响不会太大，但是会影响纹波电流的大小，尺寸大，能更抗热，纹波电流自然也越大。 那么不同容量，不同电压的铝电解电容的ESR的大小是多少呢？ 既然各家差不多，就以红宝石的为例，如下表 红宝石铝电解电容ESR@120Hz SEV标准系列 损耗角 0.5 0.35 0.26 0.2 0.16 0.14 0.12 0.12 0.1 额定电压 4V 6.3V 10V 16V 25V 35V 50V 63V 100V 10uF \ \ \ 26.5Ω 21.2Ω 18.55Ω 15.9Ω \ 13.25Ω 22uF \ 21.1Ω \ 12.1Ω \ 8.47Ω 7.26Ω 7.26Ω 6.05Ω 47uF 14.1Ω 9.87Ω \ 5.63Ω 4.52Ω 3.96Ω 3.39Ω 3.39Ω 2.83Ω 100uF 6.63Ω 4.64Ω 3.45Ω 2.65Ω 2.12Ω 1.86Ω 1.59Ω 1.59Ω 1.325Ω 220uF 3.01Ω 2.11Ω 1.57Ω 1.20Ω 0.96Ω 0.85Ω 0.72Ω 0.72Ω 0.60Ω 470uF 1.41Ω 0.987Ω 0.735Ω 0.563Ω 0.452Ω 0.396Ω 0.339Ω 0.339Ω 0.283Ω 1000uF \ 0.46Ω 0.345Ω 0.265Ω 0.212Ω 0.186Ω 0.159Ω \ \ 2200uF \ 0.211Ω 0.157Ω 0.12Ω 0.096Ω 0.085Ω \ \ \ 从上述表格也可以得出如下结论： ①容量越大，ESR值越小。 ②额定电压越大，ESR值越小。 需要说明的是这个ESR值是在120Hz情况下的，如果频率升高， ESR是会有所下降，看上一章节ESR与频率的曲线图，在100Khz大致下降到120hz的1/2-1/4（ 这个比例数据很粗糙 ）左右。 4.2、额定纹波电流 不同于MLCC陶瓷电容， 铝电解电容需要注意额定纹波电流，它是有效值， 不能超规格使用。铝电解电容的ESR相对比较大，因此，如果纹波电流比较大的话，内部发热严重，会导致电容器失效、因此每个制品都设定有额定的纹波电流。 额定纹波电流与封装大小和ESR值有关系 ESR越小，额定纹波电流越大。 封装越大，额定纹波电流越大。 因为电流纹波会造成自我温升，下表为各两种周围温度下的自我温升的△T界限值（一般情况，仅供参考） 周围温度 85℃以下 95℃ 105℃ △T界限值 15℃ 10℃ 5℃ 虽然有一些系列降低周围温度可以施加超过额定的纹波电流，但自我温升△T升高的话，寿命就会变短 。△T在各种周围温度下都有其规定界限值，请在使用中不要超过其界限值。 自我温升△T 计算公式如下： Io：在工作上限温度时的使使用频率系数修正后的额定纹波电流Arms。 Ix：实际使用时的纹波电流Arms。 △To：叠加额定纹波电流时的自我温升。 普通铝电解电容标称的额定纹波电流是在 120Hz 的值，那其它频率额定电流纹波值是怎么样的呢？一般厂家会在规格书给出一个 纹波电流频率校正系数 。 以红宝石为例，如下表 红宝石普通铝电解电容-额定纹波电流矫正系数 容值\频率 60Hz(50HZ) 120Hz 500 1KHz 10KHz≤ 0.47~1uF 0.50 1 1.20 1.30 1.50 2.2~4.7uF 0.65 1 1.20 1.30 1.50 10~47uF 0.80 1 1.20 1.30 1.50 100~1000uF 0.80 1 1.10 1.15 1.20 2200~10000uF 0.80 1 1.05 1.10 1.15 举例：规格书中红宝石100UF-16V的铝电解电容在120Hz的额定纹波电流是135mA，那么在10Khz条件下额定纹波电流是多少呢？ 答：查表得矫正系数是1.2，所以在10KHz纹波电流 Irms =135mA*1.2=162mA。 5、高品质铝电解电容 这里高品质铝电解电容是相对普通铝电解电容来说的，在一些特殊的场合，普通铝电解电容并不能满足我们的要求。实际上，铝电解电容厂家通常会提供多个系列的型号，高品质的主要分为3类： 高耐温化、长寿命化、低阻抗化 。 如下图为松下的铝电解电容列表。 高寿命的可以达到5000h，高温的可以达到125℃。 低阻的铝电解电容会是多低呢？几个品牌对比如下表。 低阻与普通铝电解电容对比（100uF-16V） 品牌 普通品（ 120Hz ） 低阻系列（ 100Khz ） 松下 2.65Ω 0.36Ω 尼吉康 2.52Ω 0.36Ω 台湾 Lelon 2.26Ω 0.44Ω 如此看来， 同规格各个厂家低ESR铝电解电容，ESR值相差不大，都为标准（120Hz）的七八分之一左右，但是如果同为100Khz频率下，差异就没这么大了，可能也就是下降一半 。 6、异常电压 施加异常电压会引起电容器内部发热和产生气体而导致内部压力上升，压力上升会导致开阀或电容器损坏失效。 6.1、过大电压 施加高于额定电压的电压会引起阳极箔的化学反应（形成电介质）导致漏电流迅速增加,从而产生热量和气体,内部压力因此也会升高。 这种化学反应会随着电压,电流,环境温度的升高而加快。随着内部压力增加,电容器会开阀或损坏失效。也可能会导致电容器容量降低,损失角和漏电流增加,从而会导致电容器短路。 6.2、反相电压 施加反相电压会引起电容器阴极箔的化学反应，同施加过大电压一样会导致漏电流迅速增加,电容器内部会产生热量和气体而引起内压升高。 这种化学反应会随着电压，电流，环境温度的升高而加快。同时静电容量减少，损失角增大，漏电流增加。 施加大概1V的反相电压会导致容量减少；施加2V-3V的反相电压会导致容量减少，损失角增加/或者漏电流增加而缩短了电容器的寿命。如果施加更大的反相电压会导致开阀或电容器损坏 。 7、再起电压 给铝电解电容器充电、让其端子间短路，再将短路线路打开放置一段时间过后，两端子间的电压会发生再次上升的现象。此时的电压叫 再起电压 。 给电介质施加电压后，电介质内部发生电气变化，电介质表面带有施加的电压和正负反向电荷。（极化作用）因为极化作用的速度，有快慢之分，施加电压后、把端子间的电压放至 0V、打开线路后放置，分极反应慢的电位在端子间产生再起电压。 再起电压的时间变化如图所示，两端子间打开后约10～20天后达到峰值，再渐渐降低。另外，大型品（螺丝端子型、基板自立型）的再起电力值有变大的倾向。 再起电压发生后，意外的让两端子间短路的话，打火会给生产线作业人员带来恐怖感、电路的 CPU、存储器等低电压驱动素子也有被破坏的危险。作为防止办法，请在使用前用 100～1K欧左右的电阻 对所积蓄的电荷进行放电。 8、铝电解电容寿命 8.1、寿命的计算原理 铝电解电容器的寿命、一般受电 解液通过封口向外蒸发的现象的影响 、表现为静电容量的减少、损失角正切值的增大。 电解液的蒸发速度和温度的关系用阿雷尼厄斯定律表示： k为：化学反应速度 A：频度因子 E：活性化能量 R：气体常数 T：温度 这个公式说明了化学反应速度（电解液损失的速度）与温度呈对数的关系。而温度由铝电解电容环境温度，纹波电流两者决定，因此， 环境温度 和 纹波电流 决定了铝电解电容的使用寿命 。 铝电解电容实际使用寿命公式如下（不同电容有些差别，仅供参考）： Lx为使用寿命。 Lo为保证寿命值（规格书中宣称的寿命）。 To为最高工作温度（规格书中温度上限）。 Tx 为实际环境温度，铝电解电容实际环境温度。 很容易得出： 电容工作温度每升高10℃，电容寿命减小一倍 8.2、寿命计算举例 在线计算寿命网站（尼吉康）： https://www.cn-nichicon.com/products/lifetime/ 普通品UWX系列 部分来自 | 硬件工程师炼成之路

转载 炼成之路 硬件工程师炼成之路 2020-06-10 21:30 普通铝电解电容的 ESR 参数 厂家一般都有各种系列的电解电容，低 ESR 的，长寿命的，高温的。而标准品是性能最低的，或者是最便宜的，一般温度和寿命参数是 85 ℃ /105 ℃ -1000h/2000h 。我这里说的也是这种铝电解电容。 损耗角正切值是有功功率与无功功率之比，在频率低的时候，比如 120Hz ，感抗可以忽略，因此可得到损耗角公式： 普通铝电解电容在规格书中都是找不到 ESR 的值，但是有损耗角损耗角参数，我们可以推算下，不过这种推算只能是在 120HZ 的情况，因为在高频的情况下， ESL 不能忽略，公式就不适用了。 不过，我找到一个尼吉康 nichicon 的一个通用电解电容的文件， 电解电容的 ESR 随频率升高是降低的，变化率并不大 ， ESR 从 120Hz 变到 100Khz ， ESR 只下降了一半（如果看到了我前面陶瓷电容的文章，会发现陶瓷电容下降 100-1000 倍左右）如下图。 下面是几个品牌的最普通的铝电解电容参数，按照上述方法计算得 120Hz 的 ESR 值如下： 我们可以看到，如果我们 限定容值和耐压，各个厂家的 ESR 相差不大 。 另外，也可以发现， 封装（尺寸大小）不同，对 ESR 的影响不会太大，但是会影响纹波电流的大小 ，这也比较容易想明白，尺寸大，能更抗热，纹波电流自然也越大。 下面大致列下不同容量，不同电压的铝电解电容的 ESR 的大小。 既然各家差不多，就以红宝石的为例吧，列了一个表格，方便查询，如下图。 需要说明的是这个 ESR 值是在 120Hz 情况下的，如果频率升高，按照尼吉康 nichicon 的文件， ESR 是会有所下降，看曲线 ( 文章前面有 ) 大致是 2 倍左右（ 100Khz ），但是我也找到 Nippon 提供的文件， ESR 下降更多，达到 7 倍左右。 下图是 Nippon 的曲线 所以，我们可以知道普通电解电容的 ESR 在 120Hz 是多少，但是其在 100Khz 或者其它频率的 ESR 会更低，具体是多少呢，也不能确定 。 Low ESR 铝电解电容 实际上，铝电解电容厂家一般都会提供多个系列的型号，应用在不同的场合，上面的标准系列只是其中一种，比如下图是松下的铝电解电容系列，相当丰富，我们只要按需选择即可。 我们来看看 Low ESR 的电解电容的 ESR 到底有多低呢？ 松下的的 FT 系列 100uF-16V 电解电容的 ESR 查询规格书 0.36 欧姆，而表标准系列是 2.6 欧姆，还是小不少的。 尼吉康的 UCD 系列 100uf-16V 电解电容的 ESR 查询规格书也是 0.36 欧姆，台湾 Lelon 对应的低 ESR 电容是 0.44 Ω。 如此看来，同规格各个厂家低 ESR 铝电解电容， ESR 值相差不大，都为标准的七八分之一左右。

转载 张飞实战电子 2018-07-26 21:40 引言 似乎所有的电源工程师谈起电解电容的好坏的时候，最后总是少不了一句，要选择ESR参数低一点的电容云云，但，公司采购员按这个要求去采购电容的时候，只能选择好品牌，因为采购员心里知道，好品牌的电容ESR参数才低，因，电解电容的ESR值从不标示出来。 有人问，为什么电容的ESR不标示出来，温度特性不标示出来。其实我也不知道，这里俺说三句话，来分析一下电容的几个参数。 一.先来说ESR 作为开关电源的输出整流滤波电容器，电容量往往是首要的选择，铝电解电容器的电容量完全可以满足要求，而ESR则相对比较高。可以通过多只并联的方法降低ESR。也可以选择更大的电容量来降低ESR. ESR是高频电解电容里面最重要的性能参数，很多电容供应商都强调“LOW ESR”这一性能特征，也就是ESR值很小的意思。那么，我们如何正确理解LOW ESR的实际意义呢?由于现在电子技术的发展，供应给硬件的电压正呈现越来越低的趋势，例如FPGA、DSP、RAM系列的供电电压都是很低，有的电路电 压小于2V，相比以前动辄3、4V的电压要低得多。但是，另一方面这些芯片由于晶体管和频率爆增，需求的功耗却是有增无减，因此按P=UI的公式来计算， 这些设备对电流的要求就越来越高了。 比如在电脑主板上，例如两颗功耗同样是70W的CPU，前者电压是3.3V，后者电压是1.8V。那么，前者的电流就是I=P/U=70W /3.3V大约在21.2A左右。而后者的电流就是I=P/U=70W/1.8V=38.9A，达到了前者的近一倍。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，那么就会产生比以往更高的涟波电压(理想的输出直流电压应该是一条水平线，而涟波电压则是水平线上的波峰和 波谷)。 此外，即使是相同的涟波电压，对低电压电路的影响也要比在高电压情况下更大。例如对于3.3V的MCU而言，0.2V涟波电压所占比例较小，还 不足以形成致命的影响，但是对用于1.8V供电的FPGA、DSP而言，同样是0.2V的涟波电压，其所占的比例就足以造成数字电路的判断失误。 那么ESR值与涟波电压的关系何在呢?我们可以用以下公式表示： V=R(ESR)×I 这个公式中的V就表示涟波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，涟波电压也会成倍提高，采用更低ESR值的电容是势在必行。这就是为什么如今的板卡等硬件设备上所用的电容，越来越强调低ESR的原因。 二.生产厂家为何不愿标示出来ESR呢? 从电解电容器的生产工艺上考虑，电解液的电阻是铝电解电容器等效串联电阻(ESR)的主要部分。多数铝电解电容器生产厂商是不给出ESR数据的 主要原因主要是：相对于其它介质的电容器，铝电解电容器的ESR显得太大。如1μF/16V的普通铝电解电容器，其ESR一般在20Ω左右;100μF的 铝电解电容器，其ESR也是在1.5~2Ω之间。 试想，这样的数据写在数据手册里肯定会影响应用者的应用铝电解电容器的信心。因此，在某种以上说，应用铝电解电容器是一种无奈的选择。会影响铝电解电容器的应用. 对于一般应用的铝电解电容器，多数铝电解电容器生产厂商是不给出ESR数据的，对于开关电源用的低ESR铝电解电容器或电容量比较大的插脚式铝电解电容器则给出这个数据。 三.顺便了解一下有几个电容参数也不标示的原因 其实，作为硬件工程师，总有这样的感觉，电容的参数，我们将其分为 “显性参数” 和 “隐性参数” 。所谓“显性参数”，就是印在电容表面的一些基本参数，这些参数在我们看到一颗电容之后往往可以直接得知。例如电容的容量(比如“470μF”等等)、容量偏差范围、耐温范围、电压值(比如“16V”)。 所谓“隐性参数”，就是我们需要根据电容的型号来查询的参数。例如我们常说的ESR值，如今已成为区别电容性能的重要参数，而我们在电容上是看不到这个参数的，我们得去相关的网站通过电容的型号来查询。 和ESR相同命运的类似的参数还有不少，其中包括如下一些： 1.额定的纹波电流值 ;所说额定纹波电流，将在其ESR上产生损耗而使铝电解电容器发热，这个发热的限度对 纹波电流的限制就是额定纹波电流值。其定义为在最高工作温度下可以确保铝电解电容器额定寿命时间的最大纹波电流值。对于一般应用的铝电解电容器，多数铝电 解电容器生产厂商是不给出额定纹波电流数据的，对于开关电源用的低ESR铝电解电容器或电容量比较大的插脚式铝电解电容器则给出这个数据。 2.能够耐受的涟波电流值; 上文中已有解释。 3.损耗角的正切(TAN); 相当于无功功率和有功功率的比值，这个值跟电容的品质以及发热量有关系，这个值越小电容性能越好。 4.漏电流值; 无论绝缘体多大，总是会有细微的电流漏过电容，这个值则代表具体漏过的多少。而这个参数生产厂家也不愿详细标称。 5. ESL等效电感; 等效电感ESL经常会成为ESR的一部分，并且ESL也会引发一些电路故障，比如串连谐振等。但是相对容量来说，ESL的比例太小，出现问题的几率很小，再加上电容制作工艺的进步，现在已经逐渐忽略ESL，而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。 其实关心这些电容参数，就是关心电容的使用寿命，具体不多说，其他资料或者网上都有大量的介绍。 小结 多数铝电解电容器生产厂商是不给出ESR数据的主要原因主要是：相对于其它介质的电容器，铝电解电容器的ESR显得太大(个别的如日本个 别公司电容的除外)。全球众多铝电解电容器生产厂商中，能过给出其生产的铝电解电容器的等效串联电阻(ESR)很少。有的是没有这方面的数据(如国内众多 铝电解电容器生产厂家)，而有的则是技术保密的需要，当然也有感到自己生产的铝电解电容器的ESR值太大，过于羞涩，公布出去有伤大雅。

在便携和可穿戴设备等电池供电的低电压应用中，常有一些功能需要较高的电压才能工作，例如射频收发器、精密模拟电路、白光LED背光驱动、雪崩光电二极管(APD)的偏置电路等。这就需要采用DC-DC升压转换器来向上转换到所需的电压，让设备既节能又高效的工作。 升压稳压器特点 为满足低压应用中的某些特定的较高电压需求，升压DC-DC稳压器将低输入电压转换为高输出电压，典型电路组成包括：电感器、功率MOSFET、整流二极管、控制IC、输入和输出电容器。 图 1： 基本升压稳压器配置 常见的改进型配置一般使用两个MOSFET，第二个MOSFET替换整流二极管，在电源开关关闭时打开。MOSFET具有较低的电压降，这大幅减少了功耗，同时提高了稳压器的效率。 此外，有些稳压器还带有保护功能，针对超温、输出短路、开路负载条件和输入过流等情况提供保护。 外围元器件选择 转换效率是衡量DC-DC升压电路的重要指标，而造成功耗损失的主要是电感的寄生串联电阻（ESR）、肖特基二极管的正向导通压降、功率管的导通电阻以及开关损耗这四个方面。当然，芯片本身也有静态功耗，这在低负载情况下会影响转换效率，因此要求芯片内部的功率管导通电阻也需非常小。同时，芯片内部要设计合适的驱动电路，保证功率管开关沿很陡，以减小开关时的功耗。 电感和肖特基二极管选择的不同会影响转换效率，电容和电感选择的不同会影响输出的纹波。选择合适的电感、电容、肖特基二极管，可以获得高转换效率、低纹波、低噪声。 1、电感选择 电感器是升压转换器的一个关键元件：能在电源开关接通期间存储能量，并在关断期间将存储的能量通过输出整流二极管传输至输出。 设计人员必须在低电感器电流纹波与高效率之间达到平衡。对于给定的物理尺寸，电感较低的电感器会拥有较高的饱和电流和较低的串联电阻，但较低电感会导致更高的峰值电流，进而使能效降低，纹波增大和噪声提高。 电感器的电感值与最小电感值Lmin、电流纹波等有关。计算具体电感值时，须留意占空比（D）参数，具体大小为：D = (Vout-Vin)/Vout。 第一，要保证使DC-DC升压能够在连续电流模式下正常工作所需要的最小电感值Lmin。 该公式是在连续电流模式下，忽略其他诸如寄生电阻、二极管的导通压降的情况下导出的，实际的值还要大一些。如果电感取值小于Lmin，电感可能会发生磁性饱和，造成DC-DC电路的效率大大下降，甚至不能正常输出稳定电压。 第二，考虑到通过电感的电流纹波问题，同样在连续电流模式下忽略寄生参数， 当L过小时，会造成电感上的电流纹波过大，造成通过电感、肖特基二极管和芯片中的功率管的最大电流过大。由于功率管并不是理想的，所以在特别大的电流时功率管上的功率损耗会加大，导致整个DC-DC电路的转换效率降低。 第三，一般来说，不考虑效率问题时，小电感可以带动的负载能力强于大电感。但是由于在相同负载条件下，大电感的电流纹波和最大电流值小，所以大电感可以使得电路在更低的输入电压下启动（以上均是在相同的寄生电阻条件下推导出的结论）。 为了减小外接电感尺寸，可提高工作频率。例如350KHz工作频率，只需要3.3uH以上的电感就可以保证正常工作，但是如果输出端需要输出大电流（例如：输出电流大于50mA），为了提高工作效率，建议使用较大电感。 在大负载情况下，电感的串联电阻会极大地影响转换效率，假设电感的电阻为rL，负载电阻为Rload，那么在电感的功率损耗大致如下式计算： 综合考虑，建议使用27uH、<0.5Ω的电感。如果需要提高大负载效率，需要使用更大电感值、更小寄生电阻值的电感。 2、输出电容选择 输出电容器可减少负载纹波，帮助在负载瞬态期间提供稳定的输出电压。当考虑电容的ESR时，输出电压的纹波为： 为了减小输出的纹波，需要比较大的输出电容值。但是输出电容过大，就会使得系统的反应时间过慢，所以建议使用100uF电容。如果需要更小的纹波，则需要更大的电容。 当输出连接大负载的时候，ESR造成的纹波将成为最主要的因素，同时ESR又会增加效率损耗，降低转换效率。所以建议使用ESR低的钽电容，或者多个或X7R陶瓷电容器并联使用。其他类型的电容器可能具有较高的ESR，会降低转换器效率。 3、二极管 用于整流二极管对DC-DC效率影响很大，虽然普通的二极管也能够使得DC-DC电路工作正常，但是会降低5~10%的效率，所以建议使用正向导通电压低、反应时间短的肖特基二极管，例如1N5817、1N5819、1N5821、1N5822等。 具体参数上，二极管的平均正向额定电流必须等于或高于最大输出电流，重复峰值正向额定电流必须等于或高于电感器峰值电流，反向击穿电压必须高于内部电源开关额定电压。 例如，MCP1665带有36V的内部开关，能够提供高达1A的电流。因此，Microchip建议使用STMicroelectronics供应的STPS2L40VU肖特基二极管，该器件的反向击穿电压为40V，正向电流为2A。 4、输入电容 如果输入电源稳定，即使没有输入滤波电容，DC-DC电路也可以输出低纹波、低噪声的电流电压。但是当电源离DC-DC电路较远，建议在DC-DC的输入端加上10uF以上的滤波电容，用于减小输出的噪声。 DC-DC升压稳压器具有高速开关特征，对PCB布局非常敏感：寄生电感和电容可能导致高输出纹波、输出稳压效果不佳、电磁干扰 (EMI) 过大，甚至因高电压尖峰而导致故障。因此，外围元件应靠近IC芯片，接地节点应靠近IC电源接地引脚，以最大程度减小回路面积，电源接地、信号接地和导热垫也应该在单个低阻抗接地点连接在一起。

阐述电容器的阻抗大小|Z|和等价串联电阻(ESR)的频率特性。 通过了解电容器的频率特性，可对诸如电源线消除噪音能力和抑制电压波动能力进行判断，可以说是设计电路时不可或缺的重要参数。此处对频率特性中的阻抗大小|Z|和ESR进行说明。 1.电容器的频率特性 如假设角频率为ω，电容器的静电容量为C，则理想状态下电容器(图1)的阻抗Z可用公式(1)表示。 图1.理想电容器 由公式(1)可看出，阻抗大小|Z|如图2所示，与频率呈反比趋势減少。由于理想电容器中无损耗，故等价串联电阻(ESR)为零。 图2.理想电容器的频率特性 但实际电容器(图3)中除有容量成分Ｃ外，还有因电介质或电极损耗产生的电阻（ESR）及电极或导线产生的寄生电感(ESL)。因此，|Z|的频率特性如图4所示呈V字型（部分电容器可能会变为U字型）曲线，ESR也显示出与损耗值相应的频率特性。 图3.实际电容器 图4.实际电容器的|Z|/ESR频率特性(例) |Z|和ESR变为图4曲线的原因如下。 低频率范围 ： 低频率范围的|Z|与理想电容器相同，都与频率呈反比趋势减少。ESR值也显示出与电介质分极延迟产生的介质损耗相应的特性。 共振点附近 ： 频率升高，则|Z|将受寄生电感或电极的比电阻等产生的ESR影响，偏离理想电容器（红色虚线），显示最小值。|Z|为最小值时的频率称为自振频率，此时|Z|=ESR。若大于自振频率，则元件特性由电容器转变为电感，|Z|转而增加。低于自振频率的范围称作容性领域，反之则称作感性领域。 ESR除了受介电损耗的影响，还受电极自身抵抗行程的损耗影响。 高频范围 ： 共振点以上的高频率范围中的|Z|的特性由寄生电感(L)决定。高频范围的|Z|可由公式(2)近似得出，与频率成正比趋势增加。 ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响。 以上为实际电容器的频率特性。重要的是，频率越高，就越不能忽视寄生成分ESR或ESL的影响。随着电容器在高频领域的应用越来越多，ESR和ESL与静电容量值一样，成为表示电容器性能的重要参数。 2.各种电容器的频率特性 以上就电容器寄生成分ESR、ESL对频率特性的巨大影响进行了说明。电容器种类不同，则寄生成分也会有所不同。接下来对不同种类电容器频率特性的区别进行说明。 图5表示静电容量10uF各种电容器的|Z|及ESR的频率特性。除薄膜电容器以外，全是SMD型电容器。 图5.各种电容器的|Z|/ESR频率特性 图5所示电容器的静电容量值均为10uF，因此频率不足1kHz的容量范围|Z|均为同等值。但1kHz以上时，铝电解电容器或钽电解电容器的|Z|比多层陶瓷电容器或薄膜电容器大，这是因为铝电解电容器或钽电解电容器的电解质材料的比电阻升高，导致ESR增大。薄膜电容器或多层陶瓷电容器的电极中使用了金属材料，因此ESR很低。 多层陶瓷电容器和引脚型薄膜电容器在共振点附近的特性基本相同，但多层陶瓷电容器的自振频率高，感应范围的|Z|则较低。这是由于引脚型薄膜电容器中只有引脚线部分的电感增大了。 由以上结果可以得出，SMD型的多层陶瓷电容器在较宽的频率范围内阻抗都很低，也最适于高频用途。 3.多层陶瓷电容器的频率特性 多层陶瓷电容器可按原材料及形状分为很多种类。下面就这些因素对频率特性的影响进行说明。 (1)关于ESR 处于容性领域的ESR由电介质材料产生的介质损耗决定。Class2(种类2)中的高介质率材料因使用强电介质，故有ESR增大的倾向。Class１(种类1)的温度补偿材料因使用一般电介质，因此介质损耗非常小，ESR数值也很小。 共振点附近到感性领域的高频领域中的ESR除受电极材料的比电阻率、电极形状（厚度、长度、宽度）、叠层数影响外，还受趋肤效应或接近效应的影响。电极材料多使用Ni，但低损耗型电容器中，有时也会选用比电阻率低的Cu作为电极材料。 (2)关于ESL 多层陶瓷电容器的ESL极易受内部电极结构影响。设内部电极大小的长度为l、宽度为w、厚为d时，根据F.W.Grover，电极电感ESL可用公式(3)表示。 由此公式可得知，电容器的电极越短，越宽，越厚，则ESL越小。 图6表示各尺寸多层陶瓷电容器的额定容量与自振频率的关系。相同容量，尺寸越小，自振频率越高，则ESL越小。由此，可以说长度l较短的小型电容器适用于高频领域。 图6.各尺寸额定容量值与自振频率的关系 转自 村田官网