實用的電容器是一種非理想元件。其電路模型包含串聯電感（ESL）和串聯電阻（ESR）。雖然等效串聯電阻通常在電路模型中顯示為一個恒定值，但它會根據工作條件而變化。ESR 是特定操作條件下能量損失機制組合的阻力。

電容器內的一些能量損失可歸因于導體，而另一些則涉及介電材料。這些損耗主要取決于電壓和溫度。最常見的能量損耗機制包括介電損耗、鐵電體損耗、介電傳導損耗、界面極化、局部放電損耗、歐姆電阻損耗、導體之間的火花、機電損耗和渦流損耗。

連同其電容值，ESR 定義了電容器充電和放電的時間常數，從而定義了電容器對電壓/電流變化/紋波的反應速度。在實際的平滑應用中，電容器技術是并聯組合的，其中高電容部件負責大容量濾波（鋁或鉭電容器），而具有低 ESR 的小型 MLCC 電容器負責快速、高頻尖峰。

注意：最低 ESR 電容器并不總是最佳選擇。在某些應用（例如反饋電容器）中，電容器的 ESR 過低最終可能會導致運算放大器在工作條件之外振蕩出現一些問題。LDO 型電路對電容器 ESR 范圍也非常敏感（包括 ESR 隨溫度的變化！），過去強烈建議將鉭電容器與 LDO 一起使用，而不是與 ESR 值過低的 MLCC 一起使用。這些問題是老一代 IC 的典型問題，隨著設計架構和組件不斷改進的最新 IC，對電容器 ESR 值的敏感度明顯降低。

電容器中的能量損失機制

介電損耗
不同的介電材料在施加或移除電壓時響應不同。介電損耗與介電材料如何響應電壓而極化或松弛有關。這些損耗的大小取決于溫度和頻率。耗散因數 (DF) 通常用于描述材料的介電損耗。電容器的耗散因數和等效串聯電阻取決于電極及其配置。在薄膜電容器中，介電損耗是影響整體等效串聯電阻的主要因素。

介電損耗

介電傳導損耗是指由電荷在介電材料上的實際移動引起的損耗。這些損耗往往在高溫和低頻時最大。在某些電容器中，例如 MLCC II 類電容器，介電傳導損耗很大程度上取決于施加的電壓。

歐姆電阻損耗
電容器的金屬端子、電極和內部布線呈現電阻。這種能量損失不會隨溫度和頻率顯著變化。然而，在高頻下，電極中的趨膚深度效應變得顯著。盡管在低電流應用中發生在端子和內部布線中的歐姆電阻損耗是微不足道的，但在高電流應用中不應忽視它們。

鐵電磁滯損耗

一些高介電常數材料表現出強烈依賴于施加電壓的損耗。這些損耗稱為鐵電磁滯損耗，它們發生在內部極化場和外加場具有相同幅度時。這種情況會導致介電材料飽和。具有如此高介電常數材料的電容器表現出對電壓反轉、永久極化和電容隨電壓變化的敏感性。鐵電磁滯損耗在采用高介電常數材料的陶瓷電容器中很常見。

界面極化損耗
大多數高壓電容器的介電系統至少有兩種不同的材料。這些材料中的每一種都具有不同的介電常數和傳導特性。當施加直流電壓時，這種性質的差異會導致電荷在此類材料的內部界面處積累。界面極化損耗在低頻高壓電容器中很常見。

局部放電損耗
一些電容器在電壓變化率很高時會出現局部放電。這種能量損失機制被稱為局部放電損失，在充氣電容器和液體電容器中很常見，尤其是在高壓下。電壓反轉也可能導致局部放電損耗。

渦流
在電容器中，渦流損耗很大程度上取決于頻率。在大多數應用中，這種能量損失機制影響不大，通常被忽略。然而，在脈沖形成網絡中，渦流損耗具有顯著影響，應予以考慮。

火花
在某些電容器中，放電過程中會發生火花。火花主要發生在相鄰的金屬表面之間，它是脈沖電容器中常見的能量損失機制。這種能量損失機制取決于電壓和頻率。

機電損耗
在大多數電容器中，機電損耗主要發生在介電材料和內部布線中。在介電材料中，機電損耗主要是由電致伸縮引起的。在某些情況下，它可能是由壓電效應引起的。在內部布線中，洛倫茲力會導致彎曲。發生這種情況時，會導致能量損失。

陶瓷電容器中的 ESR

等效串聯電阻是為電子電路選擇陶瓷電容器時要考慮的最重要參數之一。在陶瓷電容器中，該參數是金屬元素和介電材料中發生的損耗的總和。許多應用需要具有低 ESR 的陶瓷電容器。因此，在為您的電路選擇陶瓷電容器時考慮此參數至關重要。

陶瓷電容器的介電損耗主要取決于微觀結構因素、介電配方和雜質濃度。孔隙率、形態和晶粒尺寸是決定等效串聯電阻的主要微觀結構因素。損耗因數因一種介電材料而異。過多的損耗會導致電介質發熱，從而導致熱擊穿和電容器故障。在陶瓷電容器中，介電損耗在低頻時占主導地位。在高頻下，這些損耗會減少，它們對整體 ESR 的貢獻可以忽略不計。

金屬損耗包括歐姆電阻損耗和集膚效應。在陶瓷電容器中，金屬損耗主要取決于材料和結構的特性。趨膚效應是陶瓷電容器電極和端子中常見的能量損失機制。這種能量損失機制是頻率相關的。過多的金屬損耗會導致陶瓷電容器發熱和熱擊穿。與介電損耗不同，金屬損耗在高頻下占主導地位。

高 ESR 值會導致過多的功率損耗和縮短電池壽命。在耦合和旁路應用中使用低損耗電容器有助于延長便攜式電子設備的電池壽命。在射頻功率放大器中，使用低損耗陶瓷電容器很容易獲得高效率和增加的功率輸出。使用高 ESR 電容器會降低效率，因為很大一部分功率以 ESR 損耗的形式浪費掉。

低損耗電容器散發的熱量更少。使用此類組件使電路設計人員能夠管理電子電路中的熱問題。在高射頻應用中，使用高 ESR 陶瓷電容器會導致過熱。在低噪聲放大器中，低 ESR 電容器用于提高效率和有效增益。

1 類陶瓷電介質在非常高的頻率下具有出色的穩定性和低功耗。它們通常用于需要低損耗電容器的應用中。另一方面，2 類陶瓷電介質具有更高的損耗，但提供高電容/體積效率。

鉭電容器中的 ESR 鉭電容器
的陽極是由鉭金屬粉末燒結顆粒制成的。然而，箔式鉭電容器（不再那么常用）使用一條箔片。一層氧化物用作絕緣體，其厚度決定了電容器的額定電壓。二氧化錳或導電聚合物是固體鉭電容器中用于覆蓋氧化層的第二導體。在箔式電容器的情況下，電解質是第二導體。在固體鉭電容器和箔式電容器中，都使用了額外的材料來制作端子。

在鉭電容器中，等效串聯電阻的主要貢獻者是接觸材料和氧化物絕緣體中的損耗。在高頻下，與接觸材料損耗相比，氧化物絕緣體損耗不那么顯著。然而，在低頻下，氧化物絕緣體損耗更為顯著。

鉭電容器中的氧化物損耗隨溫度升高而略有增加。相比之下，二氧化錳的電阻隨著溫度的升高而降低。此外，二氧化錳電阻損失因制造程序而異，分析起來很復雜。與 MnO2 傳統類型相比，導電聚合物鉭具有更低的歐姆電阻損耗 - 更低的 ESR，并且它幾乎沒有 ESR 隨溫度的變化，這與 MnO2 不同，MnO2 在負溫度下的 ESR 可能比那些聚合物高 10 倍左右。

在低頻，特別是低于 1 Hz 的頻率下，介電吸收和泄漏電流具有顯著影響，應予以考慮。通常，在典型的鉭電容器中，ESR 會隨著頻率的增加而降低。ESR 以多種方式影響鉭電容器的性能。首先，它的電阻效應會導致電容器發熱。其次，ESR 會增加電路中的阻抗，從而使鉭電容器在去耦和濾波應用中的效果降低。

鋁電解電容器中的 ESR
對于中高壓應用，需要低損耗鋁電解電容器。與高 ESR 電容器相比，低 ESR 電容器具有更少的功率損耗和內部發熱問題。除了降低性能外，高 ESR 值還會降低鋁電解電容器的壽命。此外，低 ESR 值可以實現更大的紋波電流容量。

在鋁電解電容器中，鋁陽極、陰極箔、電解質和極耳對電容器的整體 ESR 有貢獻。每個來源的電阻值主要取決于頻率和溫度。在低頻和低溫下，氧化鋁對整體 ESR 的貢獻最大。另一方面，在高頻和高溫下，對整體 ESR 的最大貢獻來自電解質。通常，在應用條件下，紙張組合和電解質是這些電容器中等效串聯電阻的主要來源。

具有顯著更低和更穩定 ESR 的聚合物和混合（聚合物和濕電解質組合）電極也可在市場上買到，它們解決了濕電解電容器的大部分缺點，降低了歐姆損耗、干涸效應（可靠性和穩定性提高） ) 和 ESR 溫度依賴性。

鋁電解電容器的 ESR 值取決于紙質隔膜的厚度和密度。為了最小化等效串聯電阻，不建議使用更厚和更密集的隔膜。使用許多極耳和高導電率電解質材料有助于降低鋁電解電容器中的 ESR。可以定制標簽連接、箔和紙隔板，以產生對整體等效串聯電阻的特定電阻貢獻。

ESR 與頻率電容器技術比較

ESR 主要用于表征較高頻率域中的電容器損耗，標準參考頻率為 100kHz。帶有頻率圖的 ESR 說明了整個頻譜中的損耗。如上所述，低于 1kHz 的低頻損耗是由“較慢”的極化和介電層中的損耗驅動的，中頻（~1kHz 至 10kHz）是由內部結構損耗（例如內部結構和電解質的電導率）驅動的， >100kHz 的高頻主要由終端、觸點等的歐姆損耗驅動。

參考圖3。由于其多層結構，MLCC 電容器與標準規格頻率 100kHz 的其他技術相比，具有最低的 ESR 值。這有利于平滑開關電源等應用的更高頻率和快速尖峰。然而，在低頻時，MLCC II 類電容器與其他技術相比具有更高的 ESR（和 DF）。因此，在實際示例中，如果存在低頻尖峰（例如常見的 50-216Hz），將 MLCC 與一些鋁或鉭電解電容器并聯使用會更有效。

結論

就像其他物理設備一樣，電容器不是完美或理想的組件。用于制造電容器的材料具有有限的電阻。因此，電容器會為電路提供一些電阻。復阻抗的實部，即等效串聯電阻，是電容器中發生的能量損失機制的總和。當設備在特定條件下運行時，這些小損失會變得很重要。

一些可以顯著影響電容器行為的條件包括高電流、高頻率和極端溫度。雖然頻率、電壓和溫度會影響電容器的性能，但只有頻率會影響 ESR。因此，在設計電路時，設計工程師必須考慮電路的工作頻率以及元件的溫度。

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審核編輯：符乾江