不同種類電容的ESR曲線研究

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(gè)較小的范圍，那么就會(huì)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(gè)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(shí)候，即使在ESR保持不變的情況下，漣波電壓也會(huì)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(qiáng)調(diào)LOW ESR的緣故。

上圖就是一個(gè)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(gè)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(qiáng)，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(shí)最后的數(shù)值還將受溫度影響，這點(diǎn)我們還將在后面詳細(xì)說明。第5頁：注意你的室溫 溫度與電容性能的密切關(guān)系 電容的性能并非一成不變，而是會(huì)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?yàn)樵诓煌N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(dòng)越強(qiáng)，電離程度也越強(qiáng)。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(gè)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(gè)表格所使用的是低阻抗鋁電解液電容(3顆并聯(lián))，第三個(gè)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。

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)?？梢钥闯?，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(shí)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。

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(dòng)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。 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，其容量較小(只有100μF)，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。