中心議題:
- ESR值與漣波電壓的關(guān)系
- 溫度對電容ESR值的影響
ESR是高頻電解電容里面最重要的性能參數(shù),很多電子元器件都強調(diào)“LOW ESR”這一性能特征,也就是ESR值很小的意思。那么,我們?nèi)绾握_理解LOW ESR的實際意義呢?本文將通過介紹電容ESR值與漣波電壓的關(guān)系及溫度對電容ESR值的影響,探討電容的ESR值對電容性能的影響。
ESR值與漣波電壓的關(guān)系
由于現(xiàn)在電子技術(shù)的發(fā)展,供應(yīng)給硬件的電壓正呈現(xiàn)越來越低的趨勢,例如INTEL、AMD的最新款CPU,電壓均小于2V,相比以前動輒3、4V的電壓要低得多。但是,另一方面這些芯片由于晶體管和頻率爆增,需求的功耗卻是有增無減,因此按P=UI的公式來計算,這些設(shè)備對電流的要求就越來越高了。
例如兩顆功耗同樣是70W的CPU,前者電壓是3.3V,后者電壓是1.8V。那么,前者的電流就是I=P/U=70W/3.3V大約在21.2A左右。而后者的電流就是I=P/U=70W/1.8V=38.9A,達(dá)到了前者的近一倍。在通過電容的電流越來越高的情況下,假如電容的ESR值不能保持在一個較小的范圍,那么就會產(chǎn)生比以往更高的漣波電壓(理想的輸出直流電壓應(yīng)該是一條水平線,而漣波電壓則是水平線上的波峰和波谷)。
此外,即使是相同的漣波電壓,對低電壓電路的影響也要比在高電壓情況下更大。例如對于3.3V的CPU而言,0.2V漣波電壓所占比例較小,還不足以形成致命的影響,但是對于1.8V的CPU而言,同樣是0.2V的漣波電壓,其所占的比例就足以造成數(shù)字電路的判斷失誤。
那么ESR值與漣波電壓的關(guān)系何在呢?我們可以用以下公式表示:
V=R(ESR)×I
這個公式中的V就表示漣波電壓,而R表示電容的ESR,I表示電流??梢钥吹?,當(dāng)電流增大的時候,即使在ESR保持不變的情況下,漣波電壓也會成倍提高,采用更低ESR值的電容是勢在必行。這就是為什么如今的板卡等硬件設(shè)備上所用的電容,越來越強調(diào)LOW ESR的緣故。
上圖就是一個典型的濾波電路,這種電路也被應(yīng)用在如今的顯卡上。其中的SW IC相當(dāng)于顯卡上的開關(guān)電源,將輸入的5V直流電轉(zhuǎn)換為核心或者顯存需要的3.3V直流電。而電路的L/C部分則構(gòu)成電路的低通濾波器,目的就是盡量濾去直流電中的漣波電壓。
而上圖的表格則表明了,在L/C部分使用不同種類電容的情況下,這個電路中漣波電壓的表現(xiàn)情況??梢钥闯?,具有LOW ESR性能的鋁固體聚合物導(dǎo)體電容(左邊),其消除漣波電壓的性能最強,鉭二氧化錳電容(右邊)性能次之,鋁電解液電容(中間)表現(xiàn)最差。同時最后的數(shù)值還將受溫度影響,這點我們還將在后面詳細(xì)說明。
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溫度對電容ESR值的影響
電容的性能并非一成不變,而是會受到環(huán)境的影響,而對電容影響最大的就是溫度。而在不同種類的電容當(dāng)中,采用電解液作為陰極材質(zhì)的電容例如鋁電解液電容,受溫度影響又最為明顯。因為在不同種類的陰極,例如電解液、二氧化錳、固體聚合物導(dǎo)體當(dāng)中,只有電解液采用離子導(dǎo)電方式,而其余幾種均采用電子導(dǎo)電方式。對于離子導(dǎo)電而言,溫度越高,其離子活動越強,電離程度也越強。因此,在溫度不超過額定限度的前提下,電解液電容在高溫狀態(tài)下的性能要比低溫狀態(tài)下更好。
上圖代表25攝氏度下,三種電容降低漣波電壓的能力(電路可以以上一章節(jié)中的電路圖為參考)。其中第一個表格所使用的OSCON SVP鋁固體聚合物導(dǎo)體電容(1顆,100μF,ESR=40毫歐姆) ),第二個表格所使用的是低阻抗鋁電解液電容(3顆并聯(lián)),第三個表格使用的是低阻抗鉭電容(2顆并聯(lián))。
從表格中可以看出,在25攝氏度的常溫狀態(tài)下,三者所產(chǎn)生的漣波電壓分別是22.8/23.8/24.8mV。也就是說,1顆鋁固體聚合物導(dǎo)體電容,在25攝氏度下降低漣波電壓的能力,大致相當(dāng)于2顆鉭電容和3顆鋁電解液電容。
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上圖同樣是這三種電容,同一電路,在70攝氏度下降低漣波電壓的表現(xiàn)。可以看出,鋁固體聚合物導(dǎo)體電容和鉭電容的性能改變都不大,依然保持在24~25mV左右,但是3顆鋁電解液電容并聯(lián)下的漣波電壓降低到了16.4mV,這時只需要并聯(lián)兩顆這種電容,即可達(dá)到25攝氏度狀態(tài)下的25mV左右水平,其性能提升巨大。
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下面我們就要看低溫環(huán)境下這三種電容的表現(xiàn)了。上圖是在零下20攝氏度下三種電容的成績??梢钥闯?,在低溫環(huán)境下,鋁電解液電容的性能降低得非常厲害。3顆并聯(lián)狀態(tài)下的漣波電壓由25攝氏度下的23.8mV猛增到了57.6mV。要將漣波電壓降低到和25攝氏度相同的數(shù)值,需要并聯(lián)7顆這種電容。相比之下我們還能看出,鋁固體聚合物導(dǎo)體電容和鉭電容的性能,無論是在25度、70度還是-20度環(huán)境下,其波動都不大。
從以上分析我們不難看出,鋁電解液電容的ESR值受溫度影響是極其明顯的。上面的圖表則直接畫出了不同種類電容,在不同溫度狀態(tài)下的ESR曲線。其中鋁電解液電容(藍(lán)色線)隨溫度(Y軸)的增加,ESR值(X軸)降低明顯。而鋁固體聚合物導(dǎo)體電容(紫色線)和鉭電容(綠色線)以及高檔陶瓷電容(紅色線)則近似于直線,其ESR值受溫度影響不大。而普通陶瓷電容(粉紅線)則受溫度影響較大。
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這里需要說明的是,上表中用做比較的鋁固體聚合物導(dǎo)體電容,其容量較?。ㄖ挥?00μF),而且ESR并不太低(40毫歐)。如換上大容量,ESR更低的同類產(chǎn)品,最終性能表現(xiàn)將更加突出。