高容贴片电容的容量该如何测量才准确?

问题1：为什么在测高容量贴片电容时，容量值读数会远低于标称值？

在测量电容器时，我们要理解真值、有效值和显示值之间的区别。真值是剔除了元件寄生电感和寄生电阻等因素的理想电容器的容量值；有效值是元件阻抗实部和虑部的总和，它与频率是相关的；显示值是测量仪器所显示的数值，它同测量精度有关。当测试高容值电容元件时，仪器的测试电压设定值可能不一定等于传送到测试元件两端的电压水平，从而显示值就不等于有效值。

问题2: 电容器的适用电压和频率应该是多少？

大于10uF的贴片电容被认为是高容值电容器。制造技术的改进已让陶瓷贴片电容MLCC制造厂生产贴片电容的容量值高于贴片钽电容的容量值。这些高容值贴片电容是用于与钽电容相同条件下的。测试电压应是0.5Vrms、测试频率应是120HZ。以下表格归纳了测试条件。



问题3: 如何确认测试电压是正确的？

确认测试电压的最简易方法是在电容器正在被测试时测量电容器两端的交流电压。如图1示。

图1 测量确认被测试元件两端交流电压VAC



我们在测试电容器容量值时，当容量测试仪输出的测试电压低于要求的下限0.8Vrms，会读得低的容量值。一些容量测试仪，如HP4284A，带有电压和电流显示，如图2。

图2 HP4284 显示的电压和电流实值



当这些功能是“ON“时，加在被测试元件“DUT”两端的电平，或说通过被测试元件“DUT”的电流值会直接显示在测试仪器的显示屏上，无需连接电压测试仪。传输到“DUT”的实际测试电压可能与电桥上设定的测试电压值有较大的差别，知道并理解这点是非常重要的。



问题4：为什么测试仪会输出值与预先设定测试电压值不一致？

对某一具体的容量测试仪，电容器的阻抗会影响容量测试读数。电容器的阻抗（Z）公式如下：



由此，频率（f）和容量（C）会影响被测元件“DUT”的阻抗值。当容量和频率上升，“DUT” 的阻抗值会下降。容量测试仪的自带阻抗模组会切换到低档位，以补偿“DUT”的低阻抗。一些容量测试仪有几个阻抗档位设定以便地补偿不同的“DUT”阻抗。然而，不是所有的容量测试仪都能够切换到合适的低阻抗档位，其结果就是不的容量值读数会出现。换句话说，一台配置是高阻抗的测试仪因没能提供按设定的全额测试电压到达“DUT”两端，会导致容量测试低的容量值读数。

问题5：就用哪种类型的容量测试仪测试高容贴片电容MLCC？

为了测试高容量，推荐测试仪为 HP4284A、HP4278A等或相当仪器。

HP4284A 带有高功率选项（option 001）可以提高交流电流值从10mArms 到100mArms。有了更高的充许电流范围，测试仪有更大的功率保持交流电压值加载在“DUT”上。HP4284A同时带有电压、电流值监视器，可以显示加在“DUT”上的实际电压和电流值。使用HP4284A的不足之处是增加了测试时间。HP4284A使用一组反馈数据去保持足够的交流电平。HP4284A的测试时间可按以下公式计算：

（测试时间+ 115ms）* n （n=2～6） 公式2

如果测量速度要求高测时精度时，推荐使用HP4278A。这款测试仪没有ALC功能或且电压电流水平监视器，但AC电压仍然是通过一个电压仪核实过的。HP4278A是HP4284A的一款更早一代的产品，因更快测试速度，它常被指定为生产用测试仪。

无论如何，重点是测试仪必须能供给正确的电压到“DUT”上。针对性低阻抗的高容贴片电容MLCC，可以通过切换到低输出阻抗档位，或是使用具有自动保持输出电压功能的仪器。



问题6：能否自动保持测试电平在“DUT”上？

HP4284A有一个自动电平控制的功能。激活这个功能后，设定电压可以保持恒值在“DUT”上。用该仪器测量高容贴片电容MLCC产品时，要确认ALC功能是“ON”的。（图3-4）。没有打开此功能时会导致测量读数被误读为低值。

图3 设置ALC “ON”



图4 ALC 打开指示标识



问题7： 当高容MLCC测试容量值读数低于标称容量标准下限时，应如何处理？

1）确认容量测试仪电压和频率设定是正确的（见表1，制造厂具体指定测试条件的除外）。

2）用电压测试表连接到容量测试机检测“DUT”，确认加载在元件上的电压符合1.0+0.2Vrms的要求。

3）如果仪器有ALC或类似功能，确保是“ON”的状态。

4）参考容量测试仪手册确定适合的阻抗设定，和确认测试仪是否能自动补偿档位以补偿电容器阻抗。

问题8: 不同测试设置对容量测试的真实影响有多大？

如前述，随着容量和测试频率的上升，“DUT”的阻抗下降。为进一步解答这个问题，下面例子从数学上展示了“DUT”的阻抗是如何影响加在“DUT”上的实际电压值的。

电容器1206X7R106K160N分别使用HP4263B和HP4278A进行容量测试。代入频率1KHZ和容量值10uF 到公式1中，得到电容器的阻抗大概是16Ω。

当1.0Vrms 从测试仪器加到电容器上时，电压被仪器阻抗和DUT阻抗分压。以下解释表明HP4263B的阻抗仍保持在100Ω，而HP4278A的阻抗自动变为1.5Ω以匹配电容器的阻抗。结果是，对HP4263B，输出电压大部分落在容量测试仪阻抗上，而HP4278A能使电容器两端获得大部分析电压分压（图5-6）。因此HP4263B会显示一个比真实容量值低的容量读数。



如上所示，设定测试仪的OSC电压为1.0Vrms并不能保证全部应用电压被传送到DUT上。这并不惊奇地发现DUT两端的电压会是设定测试电压值的10%。下图展示的是一个更低的VAC 是如何影响测试容量值的（图 7）。



下列图表解释ALC “ON”和“OFF”的差别。 当ALC 功能“OFF”，加在DUT上的实际电压大约是设定电压1.0Vrms的10%。当ALC “ON”时，加在DUT上的电压几乎是设定电压的。 HP4284A有电压电流值监视器，但实际电压同样可以通过使用电压计核实。



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