本文主要介绍电容的等效模型及电容的参数。
电容的等效模型有很多种,从简单到复杂等效如下:


电容实际上由六个部分组成:
串联电阻Rs:电容器的串联电阻是由电容器的引脚电阻和电容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的交流电流通过电容器的RS时电容器会消耗能量(从而产生损耗),RS最低的电容器是云母电容和薄膜电容。
串联电感Ls:电容器的等效串联电感是由电容器的引脚电感和两个极板的等效电感串联构成的。
并联电阻Rp:即电容器的泄漏电阻。在交流耦合应用、存储应用以及当电容用于高阻抗电路时,并联电阻是一项重要参数(理想电容中的电荷应该只随外部电流变化,而实际电容中的电荷将以RC(R为等效并联电阻,C为电容量)时间常数决定的速率缓慢泄露)。
介质吸收因子R1C1:即电容的分布参数,在实际应用中影响很小。
损耗因子(Dissipation Factor,损耗角正切)tanδ:损耗因子为电容每周期损耗能量与储存能量之比。

tanδ是频率的函数,通常铝电解电容是在120Hz时测量的。低频时ESR值主要由泄漏电阻贡献,随着频率的升高泄漏电阻Rp被容抗短路,对ESR影响较小,此时ESR约为RS。
电容容值。一般是指在1KHz,1V等效AC电压,直流偏压为0V情况下测到的。
不同类型、不同容值的电容,测试条件可能不一样(如AVX的C0G系列电容值小于1000pF时,测试频率改为1MHz;X5R系列电容值大于10uF时,测试条件为0.5Vrms@120Hz)
下面重点介绍一下ESR这个参数。

通常所说的ESR是代表电容总的损耗的一个参数,他只对某一特定的频率有意义,不同的频率对应着不同的ESR(ESR一般在100KHz时测量),可以根据电容的等效电路计算出来。
Z(jw)=R(w)+jX(w)
随着频率的上升,电容的阻抗逐渐减小,在较高频率处,电容的阻抗开始小于其串联电阻SR的值,其输出阻抗曲线趋近于其串联电阻RS的一条曲线。这个频率铝电解电容一般为1~10KHz,钽电容一般为10~60KHz。对于大多数电源来说其开关频率远高于此值,因此选择电解电容时必须考虑Rs。
|Z|和ESR的变化原因如下:
低频率范围:低频率范围的|Z|与理想电容器相同,都与频率呈反比趋势减少。ESR值也显示出与电介质分极延迟产生的介质损耗相应的特性。
共振点附近:频率升高,则|Z|将受寄生电感或电极电阻等产生的ESR影响,偏离理想电容器(红色虚线),显示最小值。|Z|为最小值时的频率称为自振频率,此时|Z|=ESR。若大于自振频率,则元件特性由电容器转变为电感,|Z|转而增加。低于自振频率的范围称作容性领域,反之则称作感性领域。ESR除了受介电损耗的影响,还受电极自身抵抗行程的损耗影响。
高频范围:共振点以上的高频率范围中的|Z|的特性由寄生电感决定。高频范围的|Z|可由Z=jwL近似得出,与频率成正比趋势增加。ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响。
频率越高,就越不能忽视寄生成分ESR或ESL的影响。随着电容器在高频领域的应用越来越多,ESR和ESL与静电容量值一样,成为表示电容器性能的重要参数。
不同电容的频率特性也不一样,下图显示了铝电解、薄膜、钽电容等的频率特性。

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,而在滤波方面并没起多大作用。电源的稳定性,主要体现在纹波电压的大小,一般情况,CPU的供电要求在输出最大负载电流时,纹波电压应低于5%,最大负载电流可以这样计算:
假如某CPU的最大功耗为10W,核心电压为1.0V,那么最大负载电流为:10W/1.0V=10A
假设最大纹波电压为50mV,则要求电容的ESR值:ESR<50mV/10A=5mΩ
如果选用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=26mΩ,这样就至少需要6只电容(26mΩ/6=4.33mΩ)才能胜任滤波的工作;如果改为KZG系列3300uF/6.3V的,其ESR值=12mΩ,那么只需要3只电容即可(12mΩ/3=4mΩ);如果选用NCC的PS系列1500uF/2.5V的固体电容,查PDF文档得知,其ESR值为8mΩ,4V/820uF的ESR同样为8mΩ,因为CPU的核心电压仅为1.0V,所以这两款电容耐压均OK,经计算,只需两只固体电容即可(8mΩ/2=4mΩ)。
这就是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。这也是为什么有时候换了比原容量大几倍的电容,仍然不能保证系统稳定的真正原因。
以上就是针对电容的实际模型及参数的简单介绍,实际使用中需要根据实际应用场景进行选择,不同应用场景需要关注的具体参数也不一样。