电容器的 ESR 参数

现实中的电容器是一个非理想的元件，其等效电路模型通常由一个理想电容和一个等效电阻串联而成，这个串联电阻称为 ESR。ESR 是衡量在特定工作条件下电容器能量损失的等效电阻。

电容器之所以有能量损失是电容器内的导体、电介质材料造成的，常见的损耗包括电介质损耗、铁电损耗、电介质传导损耗、界面极化、局部放电损耗、欧姆电阻损耗、导体间放电、机电损耗和涡流损耗等等。

电介质损耗

在交变电场中，不同的电介质材料的损耗是不同的。介质损耗与介质材料在电压作用下的极化和松弛方式有关。损耗的大小取决于温度和频率。通常用耗散系数（DF）即耗散角正切来描述材料的介电损耗。

介质传导损耗

介质传导损耗是指电荷在介质材料上传导造成的能量损失，这些损耗往往在高温和低频时最大。二类 MLCC 电容的介质传导损耗很大程度上取决于工作电压。

欧姆电阻损耗

电容器的端子、电极和内部布线等导体都有电阻，因而会造成能量损失。这种能量损失并不随温度和频率的变化而明显变化，值得注意的是当信号频率很高时，电极的集肤效应会有显著影响。在小电流场合中，电容器的端子和内部布线发生的欧姆电阻损耗可忽略不计，但在大电流场合中，它们不能被忽视。

铁电磁滞损失

一些高介电常数的材料会出现与外加电压高度相关的损耗，这种损耗称为铁电磁滞损失，在具有高介电常数材料的陶瓷电容器中很常见。

界面极化损耗

大多数高压电容器的电介质至少有两种不同的材料，每一种都有不同的介电常数和传导率。当施加直流电压时，这种特性的差异会导致电荷在这些材料的交界面积累而产生损耗。

局部放电损耗

一些以气体和液体为介质的电容器在高压交流电中会出现局部放电现象，这种能量损失称为局部放电损耗。局部放电损耗也可以由突然电压逆转引起。

涡流损耗

涡流损耗与频率密切相关，在大多数应用中，这种能量损失影响不大而被忽略。在脉冲电路中涡流损耗有很大的影响。

电火花损耗

一些电容器在放电过程中，相邻的金属表面之间会出现火花，它是高频高压电路中电容器中常见的能量损耗现象。

机电损耗

机电损耗主要发生在电介质材料和内部布线中。电介质材料的电致伸缩引效应和压电效应、内部布线受到洛伦兹力发生弯曲，都会导致能量损失。

陶瓷电容器的 ESR

在选择陶瓷电容器时，ESR 是最重要参数之一，有很多应用场景需要低 ESR 的陶瓷电容器。

陶瓷电容器的介电损耗主要取决于电容的微结构因素、介电材料配方和杂质浓度。孔隙率、形态和晶粒大小是决定 ESR 的主要微结构因素。损耗系数因不同的电介质材料而异。过多的损耗会导致电介质发热，从而导致热击穿和电容器失效。陶瓷电容器中介电损耗在低频时占主导地位。在高频率下这些损耗会减少，对整个 ESR 的贡献可以忽略不计。

金属导体损耗包括欧姆电阻损耗和趋肤效应。在陶瓷电容器中，金属损耗主要取决于材料和结构特性。集肤效应是陶瓷电容器的电极和端子高频能量损耗的主要原因。过多的金属损耗会导致陶瓷电容器的发热甚至热击穿。与电介质损失不同，金属损耗在高频下占主导地位。

高 ESR 值意味着过多的功率损失。在耦合和旁路电路中，使用低 ESR 电容器有助于减少发热、延长电池寿命。在射频功率放大器中，使用低 ESR 陶瓷电容器有助于提高效率和增加功率输出。

一类陶瓷电介质在非常高的频率下具有出色的稳定性和低耗散性。二类陶瓷电介质的损耗稍大，但有较高的电容/体积比。

钽电容器的ESR

钽电容器的阳极是由钽金属粉末烧结的颗粒制成，一层氧化物被用作绝缘体，其厚度决定了电容器的额定电压。二氧化锰或导电聚合物作为导体覆盖氧化层。

钽电容器的 ESR 的主要贡献者是接触导体材料和氧化物绝缘体的损耗，在低频段氧化物绝缘体的损耗则更为显著，并且随着温度的升高而略有增加。

二氧化锰的电阻损耗因制造工艺的不同而不同，其电阻随着温度的增加而减少。钽导电聚合物的欧姆电阻损耗较低–即ESR较低，而且它几乎不随温度变化。

ESR 在许多方面影响着钽电容器的性能，比如导致电容器发热、增加电路的阻抗，从而使钽电容器在去耦和滤波应用中的效果不佳。

铝电解电容器的ESR

低损耗的铝电解电容器常用于中压和高压场合，因为低 ESR 电容器的功率损失和内部发热问题较少，可以实现更大的抑制纹波电压的能力；而高 ESR 电容器除了降低性能外，还会减少电容器的寿命。

铝电解电容器的铝阳极、阴极箔、电解液和电解纸对电容器的整体 ESR 都有影响。其每个部分的电阻值都与频率和温度有关。在低频低温下，氧化铝对整体 ESR 的贡献最大；在高频高温下，电解质对 ESR 的贡献最大。

市面上也有聚合物和混合电极（结合聚合物和湿式电解质）的电解电容，其 ESR 更低、更稳定，可以解决湿式电解电容器的大部分缺点，减少欧姆损耗、电解液干枯现象和 ESR 受温度影响而发生的变化。

ESR与频率

ESR 主要反映电容器在高频区域的损耗，其规格参数是以 100kHz 为标准测量频率。低于 1kHz 的低频损耗是由 "较慢的 "介质极化和介电层损耗造成的，中频（约1kHz至10kHz）是由内部结构损耗（如内部结构和电解质的导电性）造成的，高频（>100kHz）主要是由端子、接触材料等的欧姆损耗构成。

与其他类型的电容相比，由于 MLCC 的多层结构，它的 ESR 值最低（标准规格频率为100kHz）。这有利于平滑高频和快速尖峰电压，比如在开关电源中。但在低频段，二类 MLCC 电容器的 ESR（和DF）比其他类型的电容要高。所以在实际应用中，如果出现低频率的尖峰电压（如常见的 50-216 Hz），把 MLCC 与若干铝电解或钽电容并联使用会更加有效。

结论

电路中的电容器充放电时间常数不仅与电容值有关，还与 ESR 有关，它决定了电容器是否能快速应对电压或电流的变化。比如在设计电源滤波电路时，你必须同时考虑电容值和 ESR 这两个重要参数，容值较高的铝电解电容和钽电容的用于低频滤波，而低 ESR 值的 MLCC 电容负责处理高频的电压尖峰脉冲。

但是要注意，ESR 很低的电容未必总是最佳的选择。在某些应用电路中，如果反馈电容的 ESR 太低会导致电路中的放大器自激振荡。LDO 稳压电路对电容器的 ESR 范围有严格要求（包括 ESR 随温度变化的特性），甚至有建议要采用钽电容而不是 ESR 值低的 MLCC 电容，这是 LDO 集成稳压器的常见问题，设计者应该仔细阅读芯片说明书以确定 ESR 的要求范围。