那些贴片电容 ESR

1、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：

①C0G (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0±30ppm/℃以內，电容值随频率和电压变化小于±0.05%。正因为C0G/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.

②X7R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100pF~2.2uF。

③Y5V这种材料具有较高的介电常数，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 1000pF~10μF。

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。发热量Q=I²*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(δ)，也就是tan(δ)=ESR/Xc。。。于是乎，ESR越大，tan(δ)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=1.66mΩ

这样的啊，如果我们选用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 mΩ,这样就至少需要16只电容(26 mΩ/16=1.625 mΩ)才能胜任滤波的工作；如果改为KZG系列3300uF/6.3V的，其ESR值=12 mΩ，那么只需要8只电容即可(12 mΩ/8=1.5 mΩ)； 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8mΩ,4V/820uF的ESR同样为8 mΩ，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，只需5只固体电容即可胜任此工作。(8 mΩ/5=1.6 mΩ)。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20％~40%。如果负载8A时，纹波电流应该是1.6~3.2A。单颗电容的纹波特定温度频率下电流参数是1～2A。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。