低 ESR 钽电容及其在电路设计中的重要作用

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。这些元件的大小 -- 以及随温度、频率和施加电压的变化 -- 对于每种电容器技术而言是不同的。

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，构成 ESR 的成分是以下方面的阻抗：

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。

钽电容器两个主要功能非常适合是大容量储能，纹波滤波。我们将在下面更详细地讨论这些应用。

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。一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，广泛用于峰值电流需求期间保持电压稳定。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，可以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。

这方面的一个例子是 3.3V 电源为微处理器供电所需的大容量电容。工作期间，大处理量应用中，微处理器必须满足大电流需求。电容器有效提供这种大容量能量的能力通常称为“转换速率”，定义为“无功电流”到“峰值电流”的转换，以特定斜率 “Amps/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。

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。

波纹滤波

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) 电容器还便于纹波滤波电容器有效用于高频AC噪声分量的电路。

考虑 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)。器件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 2， D 型示例)。

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。钽电容器通常采用非常薄紧凑设计，其坚固的结构可实现 PCB 级高可靠性。

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