影響開關(guān)模式、DC-DC轉(zhuǎn)換器效率的主要因
加入技術(shù)交流群
圖9. 電容損耗模型一般簡化為一個(gè)等效串聯(lián)電阻(ESR)
所有三種損耗都體現(xiàn)在電容的典型損耗模型中(圖9左邊部分)，用電阻代表每項(xiàng)損耗。與電容儲(chǔ)能相關(guān)的每項(xiàng)損耗的功率用功耗系數(shù)(DF)表示，或損耗角正切(δ)。每項(xiàng)損耗的DF可以通過由電容阻抗的實(shí)部與虛部比得到，可以將每項(xiàng)損耗分別插入模型中。
為簡化損耗模型，圖9中的接觸電阻損耗、漏電流損耗和電介質(zhì)損耗集中等效為一個(gè)等效串聯(lián)電阻(ESR)。ESR定義為電容阻抗中消耗有功功率的部分。
推算電容阻抗模型、計(jì)算ESR (結(jié)果的實(shí)部)時(shí)，ESR是頻率的函數(shù)。這種相關(guān)性可以在下面簡化的ESR等式中得到證明：
式中，DFR、DFL和DFD是接觸電阻、漏電流和電介質(zhì)損耗的功耗系數(shù)。
利用這個(gè)等式，我們可以觀察到隨著信號(hào)頻率的增加，漏電流損耗和電介質(zhì)損耗都有所減小，直到接觸電阻損耗從一個(gè)較高頻點(diǎn)開始占主導(dǎo)地位。在該頻點(diǎn)(式中沒有包括該參數(shù))以上，ESR因?yàn)楦哳l交流電流的趨膚效應(yīng)趨于增大。
許多電容制造商提供ESR曲線圖表示ESR與頻率的關(guān)系。例如，TDK為其大多數(shù)電容產(chǎn)品提供了ESR曲線，參考這些與開關(guān)頻率對(duì)應(yīng)曲線圖，得到ESR值。
然而，如果沒有ESR曲線圖，可以通過電容數(shù)據(jù)資料中的DF規(guī)格粗略估算ESR。DF是電容的整體DF (包括所有損耗)，也可以按照下式估算ESR：
無論采用哪種方法來得到ESR值，直覺告訴我們，高ESR會(huì)降低開關(guān)電源效率，既然輸入和輸出電容在每個(gè)開關(guān)周期通過ESR充電、放電。這導(dǎo)致I2 × RESR功率損耗。這個(gè)損耗(PCAP(ESR))可以按照下式計(jì)算：
PCAP(ESR) = ICAP(RMS)2 × ESR
式中，ICAP(RMS)是流經(jīng)電容的交流電流有效值RMS。對(duì)降壓電路的輸出電容，可以采用電感紋波電流的有效值RMS。輸入濾波電容的RMS電流的計(jì)算比較復(fù)雜，可以按照下式得到一個(gè)合理的估算值：
ICIN(RMS) = IOUT/VIN × [VOUT (VIN - VOUT)]1/2
顯然，為減小電容功率損耗，應(yīng)選擇低ESR電容，有助于SMPS電源降低紋波電流。ESR是產(chǎn)生輸出電壓紋波的主要原因，因此選擇低ESR的電容不僅僅單純提高效率，還能得到其它好處。
一般來說，不同類型電介質(zhì)的電容具有不同的ESR等級(jí)。對(duì)于特定的容量和額定電壓，鋁電解電容和鉭電容就比陶瓷電容具有更高的ESR值。聚酯和聚丙烯電容的ESR值介于它們之間，但這些電容尺寸較大，SMPS中很少使用。
對(duì)于給定類型的電容，較大容量、較低的DfS能夠提供較低的ESR。大尺寸電容通常也會(huì)降低ESR，但電解電容會(huì)帶來較大的等效串聯(lián)電感。陶瓷電容被視為比較好的折中選擇，此外，電容值一定的條件下，較低的電容額定電壓也有助于減小ESR。
評(píng)論