上一回【Maker電子學】淺談高頻系統的原理與設計—PART22:陶瓷電容文章中,我們探討了高頻電路中,選用陶瓷電容器時需要注意的一些零件參數,包括耐壓、溫度係數,以及零件數值的可選擇性。
這一回我們會繼續探討其它關於高頻零件選用的知識。
電容的 Q 值
在高頻電路中使用電容器,除了之前我們提過的容值、耐壓、溫度係數等參數外,還有一個很重要的參數,叫做 Q 值。
在交流電路中,理想的電容和理想的電感是不會消耗能量的。它們會將能量以電場或磁場的型式儲存起來,經過一小段事件之後,再吐回電路上,造成電壓與電流的相位差(只有電阻會消耗能量,將電路中的能量轉變爲熱)。
但就像世界上沒有完美的情人一樣,世界上也沒有完美的電容和電感。就以電容來說好了:
(圖片來源:Bird 提供)
由於電阻無所不在,現實世界中所有的電容器都有一個叫 ESR 的特性。ESR 是「等效串聯電阻」(Equivalent Series Resistance)的意思,由於電容器的極板、導線、接點等都有電阻,我們用一個簡化的模型來代表這些電阻,這個簡化的模型就是 ESR。
由於 ESR 的存在,每次我們對電容充電時,電流流過 ESR 再進入電容器,能量就會在 ESR 上消耗一點,而當電容放電時,電流必須經過 ESR 才能流出來,能量又會在 ESR 上面消耗一點,因此,ESR 是造成能量在電容器上損耗的元兇。
在一些大功率的電源系統中,如果用很大的電流對很大的電容器充放電,ESR 甚至會造成不可忽視的發熱,必須要做熱管理才行。
爲了管理這個特性,我們定義了一個叫做 Q 值的參數,它的物理意義是「電容的容抗與 ESR 的比值」:
QC = XC / ESR = (1 / ⍵C) / ESR
有時候我們會用另外一個參數 D 來表示這個特性,D 叫做損耗因數(diffipation factor),它的定義是 Q 的倒數:
D = 1 / Q = ESR / XC
如果我們把 ESR 跟 XC 畫在表示阻抗的複數平面上,就是這個樣子:
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