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高容量MLCC測量中的常見問題及解決方案

在使用LCR儀表測量高容量MLCC(例如X5R/X7R材質)時,經常遇到測得的電容值低于規定公差范圍的情況。這主要是由于II類材質MLCC的容量會隨著溫度、電壓(AC/DC)和頻率的變化而顯著變化。導致測量結果偏差的主要原因包括:

  1. 測量條件不符合規定:MLCC的特性會受到溫度、頻率和電壓的影響,因此測量時應嚴格按照規定條件進行。具體的測量條件如下表所示:

標稱容量

測量溫度

測量頻率

測量電壓

C≤10µF

25±3℃

1kHz±10%

1.0±0.2Vrms

C>10µF

25±3℃

120Hz±24Hz

0.5±0.1Vrms

  1. 儀器測量能力不足或設置不正確:測量儀器的精度和測量條件必須滿足上述要求,才能得到準確的測量結果。因此,需要使用具備精確測量能力的儀器,如德科技的E4980A、4981A等LCR儀表。

典型測量儀器及其測量原理

典型的LCR儀表使用自動平衡電橋法進行測量。電橋的測量原理是通過保持電阻R和被測元件(DUT)之間的電流相等,以確定DUT的阻抗值。通過測量輸入和輸出電壓及其相位差,計算出電阻和電抗的分量,從而確定電容和損耗因子。

LCR儀表的實際測量電壓往往與設定的電源電壓不同,尤其是在測量高容量MLCC時,實際施加在元件上的電壓可能不足,導致測量偏差。因此,建議使用具備自動電平控制(ALC)功能的LCR電橋,確保測量電壓保持在預設值。

測量電路模式的選擇

測量電路模式通常包括并聯等效電路模式和串聯等效電路模式,選擇哪種模式取決于待測電容器的阻抗值:

  • 小電容情況:小電容具有較大的電抗,適合采用并聯等效電路模式測量。
  • 大電容情況:大電容的電抗較小,適合采用串聯等效電路模式測量。

當測量超過10µF的電容器時,建議使用串聯等效電路模式,因為其阻抗較低。

測量高容量MLCC的完整解決方案

為了確保高容量MLCC測量的準確性,可以采取以下完整的解決方案:

  1. 選擇合適的測量設備
    • 使用具備高精度和自動電平控制(ALC)功能的LCR儀表,例如德科技的E4980A、4981A等。這些儀表能夠確保測量條件的穩定性,從而提高測量精度。
    • 原因:高容量MLCC的測量對儀表精度要求高,普通儀表可能無法滿足這些要求,從而導致測量誤差。因此,選擇合適的儀表是確保測量準確性的關鍵。
  2. 測量前的準備工作
  3. 設備預熱:測量前需提前打開設備預熱至少30分鐘,確保儀器各項參數穩定。
  4. 校準操作:進行短路和開路校準,消除系統誤差,確保測量結果的準確性。
  5. 原因:預熱可以讓儀器達到穩定狀態,減少由于溫度變化引起的測量漂移;校準則可以消除儀器自身的誤差。
  6. 根據高容量MLCC的標稱容量,嚴格按照表1中列出的測量溫度、頻率和電壓條件進行設置,以減少測量條件不當導致的誤差。
  7. 操作方法:檢查并設置儀表的溫度、頻率和電壓,確保這些條件與表1中要求的一致。
  8. 原因:MLCC的容量會隨著溫度、頻率和電壓的變化而變化,因此嚴格遵循規定條件才能獲得準確的測量值。
  9. 根據待測電容器的阻抗值,選擇并聯或串聯等效電路模式。當電容器的容量較大(超過10µF)時,應使用串聯等效電路模式,以減少測量誤差。
  10. 操作方法:對于大容量電容,選擇串聯模式;對于小容量電容,選擇并聯模式。
  11. 原因:不同電路模式對測量結果的影響不同,選擇合適的電路模式可以減小測量誤差。
  12. 測量過程中,應確保LCR儀表的ALC功能開啟,以保持測量電壓的穩定。例如,當ALC關閉時,實際輸出電壓可能低于設定值,導致測量結果偏低。
  13. 原因:開啟ALC功能可以保證輸出電壓與設定值一致,從而避免因電壓不足導致的測量偏差。
  14. 例如,測量1206 X5R 47µF ±20% 6.3V的MLCC時,正確的測量頻率和電壓為120Hz和0.5Vrms。如果使用錯誤的條件(如1kHz和1Vrms),測得的容量可能顯著偏低,甚至低于20%以上。
  15. 另一個例子是測量0805 X7R 10µF ±10% 16V的產品,使用1kHz和1Vrms的條件。當ALC開啟時,測量結果為10.31µF,符合公差范圍;而當ALC關閉時,實際輸出電壓不足,測量結果為8.32µF,明顯偏低。
  16. 1206 X7R 10µF 25V ±10% 測量實例
    • 使用錯誤的測量條件(1kHz和1.0Vrms)測量時,得到的電容值為8.45µF,低于標稱值10µF的容差范圍。這是由于測量頻率過高,導致高容量MLCC的容量表現降低。
    • 使用正確的測量條件(120Hz和0.5Vrms)測量時,得到的電容值為10.12µF,符合公差范圍。這說明按照規定條件進行測量,可以有效保證測量的準確性。
  17. 原因:這些實例展示了錯誤測量條件和設置對測量結果的影響,幫助工程師理解正確操作對于測量準確性的重要性。
  18. 溫度控制:測量環境的溫度應控制在規定范圍內(例如25±3℃),因為溫度對MLCC的容量和損耗有顯著影響。
  19. 減少干擾:遠離大型電氣設備,避免外部電磁干擾,確保測量穩定性。
  20. 操作方法:確保測量環境符合要求,采取措施減少電磁干擾,如使用屏蔽裝置。
  21. 原因:環境溫度和干擾會直接影響測量精度,控制這些因素有助于提高測量可靠性。
  22. 每次測量時應記錄測量條件(溫度、頻率、電壓)和結果(容量、損耗因子)。對測量數據進行分析,以判斷測量的穩定性和重復性。
  23. 原因:數據記錄和分析有助于追蹤測量結果的變化,發現潛在問題并及時改進,確保測量的可靠性和一致性。
  24. 設置合適的測量條件
  25. 選擇正確的測量電路模式
  26. 使用ALC(自動電平控制)功能
  27. 測量實例
  28. 測量環境的控制
  29. 數據記錄與分析

專業參考文獻與技術文獻

為了進一步幫助工程師理解并應用以上測量方法,建議參考以下專業技術文獻:

  1. 《MLCC測量的理論與實踐》 - 詳細介紹了MLCC的測量原理和實際應用中的注意事項。
  2. 《安捷倫LCR儀表使用手冊》包含了E4980A、4981A等儀表的詳細使用方法和測量案例,幫助工程師更好地掌握儀器的操作。
  3. 《電容器特性與測量技術》 - 涵蓋了各種類型電容器的特性以及如何選擇合適的測量方法,提供了深入的理論基礎。

通過參考以上文獻,可以加深對高容量MLCC測量技術的理解,以便在實際應用中取得更好的測量結果。

 

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