【導(dǎo)讀】很多人都認(rèn)為開關(guān)電源的輸出濾波電容越大越好，其實(shí)這種觀點(diǎn)是不全面的，影響開關(guān)電源直流電壓輸出品質(zhì)的最重要參數(shù)其實(shí)是電容的ESR值。以下將介紹正確的開關(guān)電源輸出濾波電容的選擇方法。
電容的ESR是指電容的等效串聯(lián)電阻或阻抗。
理想的電容器是沒有電阻的。但是實(shí)際上，任何電容都有電阻，這個(gè)電阻值和電容的組成材料、結(jié)構(gòu)有關(guān)系。在開關(guān)電源技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用之前，普遍采用線性電源，電源電路都工作在低頻直流狀態(tài)，通過(guò)濾波整流電路把交流轉(zhuǎn)換成直流。在低頻直流電源中，電容的容量對(duì)濾波效果起決定作用，電容的串聯(lián)阻抗作用可以忽略。但是低頻電源效率低，體積大的缺點(diǎn)非常明顯。
由于電子技術(shù)的進(jìn)步，近二十年來(lái)逐漸發(fā)展了脈寬調(diào)制的高頻開關(guān)電源技術(shù)，大大地提高了電源的轉(zhuǎn)換效率，也減小了電源的體積。開關(guān)電源的工作頻率越高，電源的體積就越小。開關(guān)電源的工作頻率從幾十KHz到幾MHz不等。在開關(guān)電源中，電容的ESR直接影響到電容的效果，它比電容器的容量還重要，事實(shí)上我們所說(shuō)的電容器的容量一般都是在120Hz下測(cè)量的值，當(dāng)工作頻率提高時(shí)，電容容量會(huì)急劇降低，甚至根本不能起到電容的作用。一般而言，應(yīng)該選擇ESR相對(duì)較小的電容。 在不同類型的電容中，以電解電容的ESR通常最大，鉭電容次之，陶瓷電容最佳。當(dāng)然，即使是電解電容中，也分普通電解電容和低ESR的電解電容。用在開關(guān)電源輸出濾波的應(yīng)該采用低ESR的電解電容。在維修中，如果用普通電解電容替換低ESR的電解電容，開關(guān)電源可能短時(shí)間能工作，但是壽命肯定不長(zhǎng)。弄不好，電容很快因?yàn)閾p耗太大而爆裂甚至爆炸，所以更換電容應(yīng)該小心。同樣容量同樣耐壓的電解電容，體積大的往往ESR小。同樣容量不同耐壓的電解電容，耐壓高度往往ESR小。同樣耐壓同樣容量的電容，105度比85度的ESR要小。當(dāng)然，這也不是絕對(duì)的，對(duì)于同一廠家同一系列的電解電容，基本上成立。
理想的的電容器，本身不會(huì)產(chǎn)生任何能量損失，在實(shí)際應(yīng)用中，由于生產(chǎn)電容的材料有電阻率，電容的絕緣介質(zhì)有損耗，這個(gè)損耗可以等效為一個(gè)電阻跟電容串聯(lián)在一起，稱為電容的等效串聯(lián)電阻，英文簡(jiǎn)稱ESR，是Equivalent Series Resistance的縮寫。
一般認(rèn)為電容兩端的電壓不能突變，當(dāng)突然對(duì)電容施加一個(gè)電流，電容因?yàn)樽陨沓潆?，電壓?huì)從零開始上升。但是有了ESR的附加影響，等效串聯(lián)電阻自身會(huì)產(chǎn)生電壓降，這就導(dǎo)致電容器兩端的電壓會(huì)產(chǎn)生突變。很多情況下，這會(huì)導(dǎo)致電容的濾波效果變差，所以很多高質(zhì)量的開關(guān)電源，對(duì)輸出端的濾波電容要求很高，要求選用低ESR的電容器。
在振蕩電路中，ESR也會(huì)引起電路功能上失調(diào)，造成電路失效甚至損壞等嚴(yán)重后果。所以在多數(shù)場(chǎng)合，低ESR的電容，往往比高ESR的有更好的表現(xiàn)。
不過(guò)也有例外，有些時(shí)候ESR也不是一無(wú)是處。在穩(wěn)壓電路中，有一定ESR的電容，在負(fù)載發(fā)生瞬變的時(shí)候，會(huì)立即產(chǎn)生波動(dòng)而引發(fā)反饋電路動(dòng)作，這類快速的響應(yīng)，以犧牲一定的瞬態(tài)性能為代價(jià)，獲取了后續(xù)的快速調(diào)整能力，尤其是功率管的響應(yīng)速度比較慢，并且電容器的體積和容量受到嚴(yán)格限制的時(shí)候。這種情形可見于一些使用mos功率管做調(diào)整管的三端穩(wěn)壓或者類似的電路中。這種應(yīng)用場(chǎng)合，太低的ESR反而會(huì)降低整體性能。
實(shí)際上，需要更低ESR的場(chǎng)合更多，而低ESR的大容量電容價(jià)格相對(duì)昂貴，所以很多開關(guān)電源多采取并聯(lián)的方法，用多個(gè)ESR相對(duì)高的鋁電解或固態(tài)電容并聯(lián)，組合成一個(gè)低ESR的大容量電容。犧牲一定的PCB電路板空間，換來(lái)器件成本的減少。
和ESR類似的另外一個(gè)概念是ESL，也就是等效串聯(lián)電感。早期的卷制電容經(jīng)常有很高的ESL，而且容量越大的電容，ESL一般也越大。ESL經(jīng)常會(huì)成為ESR的一部分，并且ESL也會(huì)引發(fā)一些電路故障，比如串聯(lián)諧振等。但是相對(duì)容量來(lái)說(shuō)，ESL的比例太小，出現(xiàn)問(wèn)題的幾率很小，再加上電容制作工藝的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸忽略ESL，而把ESR作為除容量之外的主要參考因素了。
電容器還存在一個(gè)和電感類似的品質(zhì)系數(shù)Q，這個(gè)系數(shù)反比于ESR，并且和頻率相關(guān)，也比較少使用。
由ESR引發(fā)的電路故障通常很難檢測(cè)，而且ESR的影響也很容易在設(shè)計(jì)過(guò)程中被忽視。簡(jiǎn)單的做法是，在仿真的時(shí)候，如果無(wú)法選擇電容的具體參數(shù)，可以嘗試在電容上人為串聯(lián)一個(gè)小電阻來(lái)模擬ESR的影響，通常的，鉭電容的ESR通常都在100毫歐以下，而鋁電解電容則高于這個(gè)數(shù)值，有些種類電容的ESR甚至?xí)哌_(dá)數(shù)歐姆。
ESR值與紋波電壓的關(guān)系可以用歐姆定律V=R（ESR）×I來(lái)表示。公式中的V就表示紋波電壓，而R表示電容的ESR，I表示電流?？梢钥吹?，當(dāng)電流增大的時(shí)候，即使在ESR保持不變的情況下，紋波電壓也會(huì)成倍提高。
