贴片电容 ESR

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1、贴片电容 ESR1、那些贴片电容 选用贴片电容的时候，比较迷惑的应该是它的材质，什么 C0G，什么 X5R，什么 Y5V。不就是个电容嘛，搞这么复杂。 困惑了没多久，老工程师告诉我，选 C0G 就行了。可上星期一同学问起这事来，说是面试 的时候被问到了。这才重视起来，为啥啊？ 就搜之下，找到下面这张灰常有说服力的图。 先说明，X5R，X7R，Y5V，Z5U，C0G（也常叫 NP0）。等等这些，都是陶瓷电容， 这些名字是一个叫 EIA 的组织给起的，他们的最大不同之处就是温度相关性能变化。 从下面两张图可以看出个大概：明白了吧？虽说都是贴片陶瓷电容，据说是因为他们层间用的电介质不一样，所以他们讲

2、 就呈现出不同的温度特性。这些陶瓷电容的容值和误差（生产误差，不是每个都能造一样的）都是在 25，即室温下定义的。当他们工作温度不在室温下时，不管是加热还是冷冻，他们的容值都会发生改变。 EIA 定义如下：估计会有些好奇，为啥没 C0G（NP0）。我也暂时不明白，但是，C0G 和他们几个最大区 别是，C0G 是一类材质，上面列的几种都是二、三类材质。 说说他们的用途：C0G (EIA code) 或者叫 NP0 (产业习惯称呼) 所用的材料一般收到温度影响比较小（Negative-Positive zero），温度系数在 030ppm/以內，电容值随频率和电压变化小于0.05%。正因为 C0G

3、/NP0 所用的电介质 lose 比较小,所以呢，多会用在滤波器，时钟 电路，还有晶振匹配电路中；高频特性较好，最高可用到 G bit 级的电路中。但是这类电 容容值比有限，一般10nF. 其它常用的一类电介质材料：P350, N1000/M3K.X7R 是在工业中被广泛采用的一种温度稳定型电容器，具有中等介电常数，电气性能较稳定，在温度、电压等改变时，性能变化并不显著，适用于隔直、耦合、旁路与容量稳定性要求不太高的鉴频电路。在使用温度（-55+125）范围內容值变化率在15%以內，老化率为 10 年 1%。X7R 是一种强电介质，所以这种电容一般在 100pF2.2uF。Y5V 这种材料具有

4、较高的介电常数，常用于生产比容较大的大容量電容器产品，可以用小的尺寸做大容量的电容，但其容量稳定性较 X7R 差，容量、损耗对温度，电压等测试条件较敏感。Y5V 是一种普通用途的电容器，在使用溫度（-30+85）范围內容值变化率较大，+22/-82%以內，老化率为 10 年 5%。容值范围 1000pF10F。2、另一个深奥话题-ESR（Equivalent series resistance） 你可以直接把它看做电容的内阻，或者你可以认为是有一个电阻和它串联在一起。这个电 阻就是 ESR。 一个理想的电容应该是没有 loss 的，同时，它的 ESR 应该为 0，它应该呈现完美的容性。 它对交

5、流信号的相位（phase）应该是没任何影响的。唯独不应该的，这是个真实世 界，没那么完美的玩意。真实的电容，除了有 ESR 特性外，还有 ESL 特性（感性）。 这里我们说说 ESR，因为。好吧，是因为我对 ESL 了解还不多。 还是略微提下吧，对于 ESL，有这么一段话：ESL 经常会成为 ESR 的一部分，并且 ESL 也 会引发一些电路故障，比如串连谐振等。但是相对容量来说，ESL 的比例太小，出现问题 的几率很小，再加上电容制作工艺的进步，现在已经逐渐忽略 ESL，而把 ESR 作为除容量 之外的主要参考因素了。 开讲 ESR。其实总结为一句话，ESR 越大，在电容上浪费的能量就越多。

6、发热量 Q=I*R。R 即 ESR。 电容的 Q 值计算方法为：Q=Xc/R。其中 Xc=1/wc=1/（2*pi*f*c），R 为 ESR。 明显的 R 增大，Q 是减小的。 而 Q 的倒数就是闻名遐迩的 tan()，也就是 tan()=ESR/Xc。于是乎，ESR 越大， tan()就越大，浪费电越多。又说回去了。 好吧，考虑 ESR 对我们设计有什么用呢？看下面一段话： 主板上的每个电容，设计时一般是按最大负载时的工作情况来设计的，因此，在大多数情 況下，只要更换和原电容参数值相等的电容即可，当然，如果追求超频性或稳定性，可以 适当提高一些。ATTENTION！这里有个误区：原参数值指的

7、主要是什么？大多数人可能以 为是电容的容量。其实你错了。在高频开关电源中，决定电容取值的主要参数是耐压及 ESR（等效串联电阻），而不是容量。电容的容量，只在信号发生、高通、低通、带通等 几类电路中有意义，而在滤波方面并沒起多大作用。电源的稳定性，主要体现在纹波电压 的大小，一般情況，CPU 的供电要求在输出最大负载电流时，纹波电压低于 100mV，最大 负载电流可以这样计算： 假如某 CPU 的最大功耗为 90W，核心电压为 1.5V，那么最大负载电流为：90W/1.5V=60A 假设最大纹波电压为 100mV,则要求电容的 ESR 值:ESR 100mV/60A=1.66m 这样的啊，如果

8、我们选用 NCC 的 KZG 系列 1500uF/6.3V 的电容来做滤波，查 PDF 文档得 知,该电容的 ESR 值26 m,这样就至少需要 16 只电容(26 m/16=1.625 m)才能胜任 滤波的工作；如果改为 KZG 系列 3300uF/6.3V 的，其 ESR 值=12 m，那么只需要 8 只电 容即可(12 m/8=1.5 m)； 如果选用 NCC 的 PS 系列固体电容会怎么样呢？ 2.5V/1500uF 的，查 PDF 文档得知，其 ESR 值为 8m,4V/820uF 的 ESR 同样为 8 m，因 为 CPU 的核心电压仅为 1.5V，所以这两款电容均能胜任，经计算，

9、只需 5 只固体电容即 可胜任此工作。(8 m/5=1.6 m)。现在知道，为什么老式的主板采用上千 uF 的铝电解 电容，而新式的主板只采用几百 uF 的固体电容了吧。也知道，为什么有时换了比原容量 大几倍的，仍然不能保证系统稳定的真正原因了吧. 看完这段文章，我想大家也能够为自己的主板选择合适的电容了吧（只要耐压大于供电电 压， ESR 小于原电容的标称值即可，容量大小是不需考虑的的。） 怎样理解上面的问题呢？我们再举一个例子： 例如，两颗功耗同样是 70W 的 CPU，前者电压是 3.3V，后者电压是 1.8V。那么，前者的 电流就是 I=P/U=70W/3.3V 大约在 21.2A 左

10、右。而后者的电流就是 I=P/U=70W/1.8V=38.9A，达到了前者的近一倍。在通过电容的电流越来越高的情况下，假如电容的 ESR 值不能保持在一个较小的范围，那么就会产生比以往更高的纹波电压 （ripple voltage) （理想的输出直流电压应该是一条水平线，而纹波电压则是水平线上的 波峰和波谷）。对于 3.3V 的 CPU 而言，0.2V 涟波电压所占比例较小，还不足以形成致命 的影响，但是对于 1.8V 的 CPU 而言，同样是 0.2V 的纹波电压，其所占的比例就足以造成 数字电路的判断失误。 那纹波电压（电流）和 ESR 有嘛关系？Ur=ESR*Ir 而在开关电源输出端，随着开关频率的低到高纹波电流一般是负载电流的 2040%。如 果负载 8A 时，纹波电流应该是 1.63.2A。单颗电容的纹波特定温度频率下电流参数是 12A。所以 8A 的负载要有 3 颗电容并联。 对于电容的纹波电流跟频率和温度有关系，一般电解电容都有一个频率和温度的纹波电流 补偿系数。所以在较高温度下纹波电流会减小，较高频率下，纹波电流会增加。