如何测量电容的ESR

只看该作者 · 2023-5-14 17:16

硬件设计过程中，电容的使用必不可少。一般都会选取ESR低的电容，毕竟ESR越小，就表明电容的损耗越小，就越接近理想电容。高ESR的电容，充电时间常数会表大，ESR上的纹波也会变大，会影响滤波效果，增加输出纹波噪声。电容损耗加大，就会导致发热，降低使用寿命。电路设计中，应该综合需求，成本多方面的因素，选择较低的电容类型。

但是不是所有场合都要低ESR的电容，要根据实际电路中的选择适当合适的。比如LDO输出的滤波电容，如果ESR太小，输出电压的时候会引起比较大的电流尖峰：因为输出电容的ESR过小，上电瞬间电容回路没有足够的电阻分压，输出端瞬时电压会被拉至接近0V，而反馈回路则会最大程度的开启主回路的功率mos管以实现稳压。

当没明白ESR的作用的时候，出现输出电压过冲的时候，就会觉得是输出电容容值不够，开始通过加电容的方式，试图消除电压过冲，实际这不是根因的。一些大厂会对这个原因进行解释，然后给出建议，说明书会明确制定ESR的范围。在这一方面，国内的芯片厂商就比较含蓄，一两页的datasheet就介绍完了。

ESR的大小还反映出电容的质量，当一个电容的ESR变化严重的时候，就说明其质量发生劣化。对于电解电容，电解液会蒸发，电解液的减少，与阳极的接触面积就会随之减少。伴随的现象就是电容容值减小，ESR增大。这种老化现象，在温度升高的情况下，发生得更快。在电源模块，电解电容是发生损坏概率高的元器件。电容器工厂测试有专门的设备，比如射频阻抗分析仪-HP4291,但这设个设备价格太贵，只有批量生产电容器的厂家才会使用。

作为硬件工程师接触最大的仪器就是LCR电桥，也是测量比较精密的。可以同时测量电容的容值，损耗角，阻抗和ESR值。比如下图测试的电容容值302uF，

正切值Tanδ=16.19/17.59=0.92, 损耗角δ=42.5度。

当手边没有LCR仪器的时候，可以使用信号发生器加示波器测试。信号发生器输出10V@1us的脉冲，开关频率为1000Hz，信号发生器内阻设置为50欧姆，串联电阻为47欧姆。由于激励脉冲宽度只有仅仅1us。脉冲上升之后，电容刚开始充电，电容上的电压为0。此时示波器上测试到的电压就只是ESR上的电压。一般电解电容上的ESR大概在0.1欧姆到10欧姆之间，通过分压公式，可以近似估算出ESR值和激励信号电压之间的关系。

比如实际测量一个330uF的电容，示波器上测得的电压为30mV，就可以推算出电解电容的ESR=300毫欧。这种方法测量的电解电容的ESR不能太小，否则就不准确。测量的时候，要将信号线本身连接处的电阻尽量小，否则这些电阻也会被计算为ESR。同时信号发生器的激励信号上升沿要足够快，减小电容容值在上电瞬间的影响。仿真测量到的数据，也表明这种测试方式有效果。