準(zhǔn)確測量貼片電容的容量的方法

問題1：為什么在測高容量貼片電容時，容量值讀數(shù)會遠(yuǎn)低于標(biāo)稱值？
在測量電容器時，我們要理解真值、有效值和顯示值之間的區(qū)別。真值是剔除了元件寄生電感和寄生電阻等因素的理想電容器的容量值；有效值是元件阻抗實部和慮部的總和，它與頻率是相關(guān)的；顯示值是測量儀器所顯示的數(shù)值，它同測量精度有關(guān)。當(dāng)測試高容值電容元件時，儀器的測試電壓設(shè)定值可能不一定等于傳送到測試元件兩端的電壓水平，從而顯示值就不等于有效值。

問題2: 電容器的適用電壓和頻率應(yīng)該是多少？
大于10uF的貼片電容被認(rèn)為是高容值電容器。制造技術(shù)的改進(jìn)已讓陶瓷貼片電容MLCC制造廠生產(chǎn)貼片電容的容量值高于貼片鉭電容的容量值。這些高容值貼片電容是用于與鉭電容相同條件下的。測試電壓應(yīng)是0.5Vrms、測試頻率應(yīng)是120HZ。以下表格歸納了測試條件。

問題3: 如何確認(rèn)測試電壓是正確的？
確認(rèn)測試電壓的最簡易方法是在電容器正在被測試時測量電容器兩端的交流電壓。如圖1示。
圖1 測量確認(rèn)被測試元件兩端交流電壓VAC

我們在測試電容器容量值時，當(dāng)容量測試儀輸出的測試電壓低于要求的下限0.8Vrms，會讀得低的容量值。一些容量測試儀，如HP4284A，帶有電壓和電流顯示，如圖2。
圖2 HP4284 顯示的電壓和電流實值

當(dāng)這些功能是“ON“時，加在被測試元件“DUT”兩端的電平，或說通過被測試元件“DUT”的電流值會直接顯示在測試儀器的顯示屏上，無需連接電壓測試儀。傳輸?shù)健癉UT”的實際測試電壓可能與電橋上設(shè)定的測試電壓值有較大的差別，知道并理解這點是非常重要的。
問題4：為什么測試儀會輸出值與預(yù)先設(shè)定測試電壓值不一致？
對某一具體的容量測試儀，電容器的阻抗會影響容量測試讀數(shù)。電容器的阻抗（Z）公式如下：

由此，頻率（f）和容量（C）會影響被測元件“DUT”的阻抗值。當(dāng)容量和頻率上升，“DUT” 的阻抗值會下降。容量測試儀的自帶阻抗模組會切換到低檔位，以補(bǔ)償“DUT”的低阻抗。一些容量測試儀有幾個阻抗檔位設(shè)定以便精確地補(bǔ)償不同的“DUT”阻抗。然而，不是所有的容量測試儀都能夠切換到合適的低阻抗檔位，其結(jié)果就是不精確的容量值讀數(shù)會出現(xiàn)。換句話說，一臺配置是高阻抗的測試儀因沒能提供按設(shè)定的全額測試電壓到達(dá)“DUT”兩端，會導(dǎo)致容量測試低的容量值讀數(shù)。
問題5：就用哪種類型的容量測試儀測試高容貼片電容MLCC？
為了精確測試高容量，推薦測試儀為 HP4284A、HP4278A等或相當(dāng)儀器。
HP4284A 帶有高功率選項（option 001）可以提高交流電流值從10mArms 到100mArms。有了更高的充許電流范圍，測試儀有更大的功率保持交流電壓值加載在“DUT”上。HP4284A同時帶有電壓、電流值監(jiān)視器，可以顯示加在“DUT”上的實際電壓和電流值。使用HP4284A的不足之處是增加了測試時間。HP4284A使用一組反饋數(shù)據(jù)去保持足夠的交流電平。HP4284A的測試時間可按以下公式計算：
（測試時間+ 115ms）* n （n=2～6） 公式2
如果測量速度要求高測時精度時，推薦使用HP4278A。這款測試儀沒有ALC功能或且電壓電流水平監(jiān)視器，但AC電壓仍然是通過一個電壓儀核實過的。HP4278A是HP4284A的一款更早一代的產(chǎn)品，因更快測試速度，它常被指定為生產(chǎn)用測試儀。
無論如何，重點是測試儀必須能供給正確的電壓到“DUT”上。針對性低阻抗的高容貼片電容MLCC，可以通過切換到低輸出阻抗檔位，或是使用具有自動保持輸出電壓功能的儀器。
問題6：能否自動保持測試電平在“DUT”上？
HP4284A有一個自動電平控制的功能。激活這個功能后，設(shè)定電壓可以保持恒值在“DUT”上。用該儀器測量高容貼片電容MLCC產(chǎn)品時，要確認(rèn)ALC功能是“ON”的。（圖3-4）。沒有打開此功能時會導(dǎo)致測量讀數(shù)被誤讀為低值。
圖3 設(shè)置ALC “ON”

圖4 ALC 打開指示標(biāo)識

問題7： 當(dāng)高容MLCC測試容量值讀數(shù)低于標(biāo)稱容量標(biāo)準(zhǔn)下限時，應(yīng)如何處理？
1）確認(rèn)容量測試儀電壓和頻率設(shè)定是正確的（見表1，制造廠具體指定測試條件的除外）。
2）用電壓測試表連接到容量測試機(jī)檢測“DUT”，確認(rèn)加載在元件上的電壓符合1.0+0.2Vrms的要求。
3）如果儀器有ALC或類似功能，確保是“ON”的狀態(tài)。
4）參考容量測試儀手冊確定適合的阻抗設(shè)定，和確認(rèn)測試儀是否能自動補(bǔ)償檔位以補(bǔ)償電容器阻抗。
問題8: 不同測試設(shè)置對容量測試的真實影響有多大？
如前述，隨著容量和測試頻率的上升，“DUT”的阻抗下降。為進(jìn)一步解答這個問題，下面例子從數(shù)學(xué)上展示了“DUT”的阻抗是如何影響加在“DUT”上的實際電壓值的。
電容器1206X7R106K160N分別使用HP4263B和HP4278A進(jìn)行容量測試。代入頻率1KHZ和容量值10uF 到公式1中，得到電容器的阻抗大概是16Ω。
當(dāng)1.0Vrms 從測試儀器加到電容器上時，電壓被儀器阻抗和DUT阻抗分壓。以下解釋表明HP4263B的阻抗仍保持在100Ω，而HP4278A的阻抗自動變?yōu)?.5Ω以匹配電容器的阻抗。結(jié)果是，對HP4263B，輸出電壓大部分落在容量測試儀阻抗上，而HP4278A能使電容器兩端獲得大部分析電壓分壓（圖5-6）。因此HP4263B會顯示一個比真實容量值低的容量讀數(shù)。

如上所示，設(shè)定測試儀的OSC電壓為1.0Vrms并不能保證全部應(yīng)用電壓被傳送到DUT上。這并不驚奇地發(fā)現(xiàn)DUT兩端的電壓會是設(shè)定測試電壓值的10%。下圖展示的是一個更低的VAC 是如何影響測試容量值的（圖 7）。

下列圖表解釋ALC “ON”和“OFF”的差別。 當(dāng)ALC 功能“OFF”，加在DUT上的實際電壓大約是設(shè)定電壓1.0Vrms的10%。當(dāng)ALC “ON”時，加在DUT上的電壓幾乎是設(shè)定電壓的100%。HP4284A有電壓電流值監(jiān)視器，但實際電壓同樣可以通過使用電壓計核實。

本文標(biāo)簽: