ESR ESL

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1 h% l& Y' ]5 D3 P) ]+ T! s2 v　什么是ESR?
7 ]' [3 Y* j3 _; p) G　　ESR，是Equivalent Series Resistance”等效串连电阻“三个单词的缩写。
　　电容器的主要技术指标有电容量、耐压值、耐温值。除了这三个主要指标外，其他指标中较重要的就是等效串联电阻（ESR）了。有的电容器上有一条金色的带状线，上面印有一个大大的空心字母“I”，它表示该电容属于LOWESR低损耗电容。有的电容还会标出ESR值（等效串联电阻），ESR越低，损耗越小，输出电流就越大，电容器的品质越高。
) c7 L7 b5 c$ S& B0 g$ R　　理论上，电容自身不会产生任何能量损失，但因制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗，种种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串连在一起，称为Equivalent Series Resistance即“等效串连电阻”。ESR的出现导致电容的参数背离了原始值的定义。
　　比如，我们认为电容上面电压不能突变，当突然对电容施加一个电流，电容因为自身充电，电压会从0开始上升。但是有了ESR，电阻自身会产生一个压降，这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑会降低电容的滤波效果，所以很多产品例如高质量的电源等都使用低ESR的电容器。
2 o  v' N, b5 Q　　同样的，在振荡电路等场合，ESR也会引起电路在功能上发生变化，引起电路失效甚至损坏等严重后果。
　　所以在多数场合，低ESR的电容，往往比高ESR的有更好的表现。
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6 `8 ]% q2 r) a9 g　　ESR的要点
　　现在电子技术正朝着低电压高电流电路的设计方向发展，供应给元器件的电压呈现越来越低的趋势，但对功率的要求却丝毫没有降低。按P=UI的公式来计算，要获得同样的功率，电压降低了，那就必须得增大电流。例如INTEL、AMD的最新款CPU，电压均小于2V，和以前3、4V的电压相比低得多。但另一方面这些芯片由于晶体管和频率的激增，需求的功耗却是增大了许多，对电流的要求就越来越高了。例如两颗功率都是70W的CPU，前者电压是3.3V，后者电压是1.8V。那么，前者的电流I=P/U=70W/3.3V=21.2A；而后者的电流I=P/U=70W/1.8V=38.9A，将近是前者电流的两倍。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，那么就会产生更高的纹波电压（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），因此就促使工程师在设计时，要使用最小的ESR电容器。
　　ESR值与纹波电压的关系可以用公式V=R（ESR）×I表示。这个公式中的V就表示纹波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高，因此采用更低ESR值的电容是势在必行的。
　　此外，即使是相同的纹波电压，对低电压电路的影响也要比在高电压情况下更大。例如对于3.3V的CPU而言，0.2V纹波电压所占比例较小，不足以形成很大的影响，但是对于1.8V的CPU，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。
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　　ESR的应用
: P' b" U1 V; O　　在稳压电路中，有一定ESR的电容，在负载发生瞬变的时候，会立即产生波动而引发反馈电路动作，这个快速的响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价，但获取了后续的快速调整能力，尤其是功率管的响应速度比较慢，并且电容器的体积/容量受到严格限制的时候。这种情况见于一些使用mos管做调整管的三端稳压或者相似的电路中。这时候，太低的ESR反而会降低整体性能。
0 k; o/ T* b  M: \7 k: A　　ESR是等效“串连”电阻，意味着，将两个电容串连，会增大这个数值，而并联则会减少。
* V- N; o9 A: i( I  ]5 }* S　　实际上，需要更低ESR的场合更多，而低ESR的大容量电容价格相对昂贵，所以很多开关电源采取的并联的策略，用多个ESR相对高的铝电解并联，形成一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB空间，换来器件成本的减少，很多时候都是划算的。其理论是电阻并联阻值降低。但若考虑电容接脚焊点的阻抗，以小并大，不见得一定会有收获，这一点在设计Debug时也需要注意。另外，电容也存在一个和电感类似的品质系数Q值，这个系数反比于ESR，并且和频率相关，也比较少使用。
: }# W  ]5 t( P6 j1 \1 ^　　由ESR引发的电路故障通常很难检测，而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。简单的做法是，在仿真的时候，如果无法选择电容的具体参数，可以尝试在电容上人为串连一个小电阻来模拟ESR的影响，通常的，钽电容的ESR通常都在100毫欧以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。ESR的高低，与电容器的容量、电压、频率及温度都有关系，当额定电压固定时，容量愈大ESR愈低。同样当容量固定时，选用高的额定电压的品种也能降低ESR；故选用耐压高的电容确实有许多好处；低频时ESR高，高频时ESR低；高温也会造成ESR的升高。
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　　什么是ESL?
% ~$ I, A5 X* l" R& o　　与ESR类似的另一个概念是ESL，是Equivalent Series Inductance 的缩写即“等效串联电感”。早期的卷制电感经常有很高的ESL。另外，容量越大的电容，ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分，并且ESL会引起串联谐振等现象。但是相对电容量来说，ESL的比例很小，出现问题的机率很小，后来由于电容制作工艺的提高，现在已经逐渐忽略ESL，而把ESR作为除容量、耐压值、耐温值之外选用电容器的主要参考因素了。
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