电容器ESR测量的方法及问题

The Methods and Problems of Capacitor ESR Measurement

Knowles Capacitors，英国诺里奇

许多不同类型的电容器带有许多不同的参数；每一类型都适合于一系列的应用。随着工作频率要求的提高，电子系统尺寸减小，电量使用越来越关键，最重要的参数是品质因数（Q）和等效串联电阻（ESR）。要对多层陶瓷电容（MLCC）的这些参数进行测量和表征，采用有限的标准化测试方法来比较竞争产品是困难的。

在本文中，Knowles讲述了高品质因数MLCC的ESR测量，这可能是最需要的参数，描述了其在用的测试方法以及Knowles如何测试该公司数据表上的参数。

Q、ESR、功率

Q是品质因数，是耗散因子(DF)的倒数，表示电容器的损耗。

                                                                                             (1)

Q越高，DF越小，损耗越小。ESR为等效串联电阻（R_s），表示对RF电流的有效电阻。ESR反映了电介质和电极的损耗特性。

                                                                                     (2)

其中f是频率（Hz），C为电容值（F），X_c为电容电抗(Ω)。则

                                  (3)

电容上消耗的功率(W)表示为

                                      (4)

其中I为流经电容的电流均方根值（A）。

了解ESR值是重要的，因为它决定了射频功率应用中所用器件的适宜性。如果ESR值太高，由于I²R损耗引起的自发热会太大，部件会过热而失效。ESR也决定了器件的计算最大额定电流。

作为一个例子，考虑一个运行在940MHz GSM900频段的手机基站。47pF的高Q电容，其ESR在940MHz时约为0.088Ω，作为这个50Ω系统的耦合电容器。注入电容器的射频功率为40W。根据P=I²R，其中R=Z+ESR，得到电路电流为0.89A。为了计算电容器的功率消耗，我们把这个电流代回P=I²R，这里R=ESR，得到70mW。电容器消耗的功率可简单地由ESR与电路总阻抗的比值乘以系统功率得出

                            (5)

如果ESR值远远小于Z，其变化相对于总电路阻抗可以忽略。忽略后得到

                                     (6)

采用相同的计算，47pF超低ESR的电容，在940MHz的ESR=0.07Ω，电容上的功率消耗为56mW，减少了20%。该电容允许系统的运行温度更低或功率更高。

不同的电介质和电极组合表现出不同级别的Q和ESR。低频时，电介质材料是主导因素；高频时金属损耗则变得突出起来。X7R材料用于低频，1kHz时测得的典型DF值约为百分之一到二，对应的Q为50到100。C0G/NP0材料在1MHz测得的Q值在600到1000之间。

在实验室条件下，1MHz时测量Q，得到的值较高，为10000或更高。然而，实际应用时高速机器上进行100%测试的极限约2000。在1MHz以上进行Q的100%测试是不实际的。考虑导线和接触电阻时，电容电桥和LCR表都不够准确，快速的高频测量是不可能的。尽管测量工作频率附近的Q和ESR是必要的，但是，这有可能导致测试偏差和精度不准，引发解释数据的问题。

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