貼片電容(特別是MLCC)在1uF以上容量直接測試時(shí)出現(xiàn)偏低的現(xiàn)象,這通常是由以下幾個(gè)關(guān)鍵因素共同造成的:
- 測試頻率的影響 (最主要的因素):
標(biāo)稱值的測量頻率: 制造商標(biāo)注的容值(尤其是較大容值的MLCC,如1uF及以上)通常是在 低頻(如120Hz或1kHz) 下測量的?這是因?yàn)檫@些電容主要用于電源濾波和儲(chǔ)能,其工作頻率相對(duì)較低?
常用測試儀器的默認(rèn)頻率: 許多常見的LCR表?萬用表電容檔或在線測試儀的默認(rèn)測試頻率是1kHz?
介電材料的特性: MLCC使用的II類介電材料(如X5R, X7R, Y5V等)具有顯著的介電常數(shù)頻率依賴性?隨著測試頻率的升高,材料的極化響應(yīng)跟不上電場的變化,導(dǎo)致其有效介電常數(shù)下降?
結(jié)果: 當(dāng)你在1kHz下測量一個(gè)標(biāo)稱值是在120Hz或1kHz(但實(shí)際1kHz已接近其頻率響應(yīng)下降點(diǎn))下標(biāo)注的大容量MLCC時(shí),由于高頻下介電常數(shù)降低,測得的容量必然低于標(biāo)稱值?頻率越高,偏差越大?
- 直流偏壓效應(yīng):
介電材料的壓電/鐵電特性: II類介電材料(X5R, X7R, Y5V等)具有壓電或鐵電特性,其晶體結(jié)構(gòu)會(huì)隨外加直流電壓的大小而變化?
有效介電常數(shù)下降: 施加直流偏壓(即使是測試信號(hào)本身包含的小偏置,或電容兩端存在的工作電壓)會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部的部分電疇被“釘扎”或難以翻轉(zhuǎn),從而降低材料的有效介電常數(shù)?
結(jié)果: 在施加直流電壓(或測試信號(hào)有偏置)的情況下進(jìn)行測量,測得的容量會(huì)顯著低于其標(biāo)稱值(標(biāo)稱值通常在0V或很小的交流信號(hào)下測得)?容量越大(介電常數(shù)越高),工作電壓越高,這種效應(yīng)越明顯?
- 溫度的影響:
溫度系數(shù): MLCC,尤其是II類介電材料,具有較大的溫度系數(shù)(如X7R為 ±15%)?標(biāo)稱值通常在+25°C下給出?
測試環(huán)境溫度: 如果測試環(huán)境溫度偏離25°C,容值就會(huì)偏離標(biāo)稱值?低溫下容值通常會(huì)降低(對(duì)于X7R等)?即使溫度在室溫范圍(如15°C - 35°C),變化也可能達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)?
- 電容本身的等效串聯(lián)電感和損耗:
雖然ESL主要影響高頻阻抗,但在1kHz測試時(shí)影響相對(duì)較小?然而,對(duì)于非常大的電容或特定的內(nèi)部結(jié)構(gòu),ESL在測試頻率下產(chǎn)生的感抗如果不可忽略,可能會(huì)與容抗相互作用,略微影響LCR表讀取復(fù)阻抗并計(jì)算出的容值精度,但這通常不是偏低的主要原因?
- 測試儀器的精度和校準(zhǔn):
量程選擇: 測試大電容時(shí),儀器必須處于合適的量程?如果量程選擇不當(dāng)(如過小),可能導(dǎo)致測量誤差或超量程?
探頭補(bǔ)償/校準(zhǔn): LCR表使用前需要進(jìn)行開路和短路校準(zhǔn),以消除測試夾具和線纜的寄生參數(shù)影響?未正確校準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤差?
接觸電阻: 測試探針或夾具與電容端電極的接觸不良會(huì)增加串聯(lián)電阻,可能影響測量精度,尤其是對(duì)小尺寸電容進(jìn)行測試時(shí)?
儀器本身精度: 低端儀器的測量精度和穩(wěn)定性可能有限?
- 電容的老化:
II類介電材料的MLCC存在老化現(xiàn)象?電容在經(jīng)歷高溫(如焊接)后,其容值會(huì)隨時(shí)間(以對(duì)數(shù)關(guān)系)緩慢下降?剛焊接完的電容容量最高,放置幾天或幾周后,容量會(huì)下降到低于初始值的穩(wěn)定水平(老化后的值)?標(biāo)稱值通常指老化后的穩(wěn)定值,但新出廠或剛焊接的電容會(huì)略高?不過,老化通常導(dǎo)致容量下降,這也是測試值可能偏低的一個(gè)因素(尤其是較新的電容測試值可能接近標(biāo)稱值,老化后會(huì)低于標(biāo)稱值)?
如何獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果(針對(duì)大容量MLCC):
- 使用正確的測試頻率:
對(duì)于1uF及以上的MLCC,務(wù)必使用120Hz或100Hz進(jìn)行測量?這是最接近其標(biāo)定條件和使用場景的頻率?檢查你的LCR表是否支持并設(shè)置為低頻測試?
- 考慮直流偏壓:
如果電容在實(shí)際電路中工作時(shí)承受直流電壓,并且你想知道工作狀態(tài)下的容量,需要使用支持直流偏置功能的LCR表?
在指定的直流偏壓(如電容的額定工作電壓)下,使用低頻(120Hz)交流信號(hào)進(jìn)行測量?這將得到最接近實(shí)際工作狀態(tài)的容值(通常遠(yuǎn)低于0V下的標(biāo)稱值)?
- 控制溫度:
在標(biāo)準(zhǔn)室溫(25°C ± 少量)下進(jìn)行測量,并注意電容的溫度系數(shù)?
- 正確使用和校準(zhǔn)儀器:
選擇適合電容量的量程?
嚴(yán)格進(jìn)行儀器的開路(Open)和短路(Short)校準(zhǔn)?
使用合適的測試夾具,確保接觸良好可靠?對(duì)于小尺寸電容(如0402, 0201),高質(zhì)量的SMD測試夾具或探頭至關(guān)重要?
- 理解標(biāo)稱值的含義:
認(rèn)識(shí)到標(biāo)稱值是在特定條件(低頻率?無偏壓?25°C?老化后)下的典型值,實(shí)際測量值受測試條件影響很大?
總結(jié):
大容量(≥1uF)貼片MLCC直接測試容值偏低,最核心的原因是在常用的1kHz測試頻率下,II類介電材料的有效介電常數(shù)顯著低于其標(biāo)稱容值所使用的低頻(120Hz/1kHz)下的值?直流偏壓效應(yīng)是另一個(gè)導(dǎo)致實(shí)測值遠(yuǎn)低于0V標(biāo)稱值的關(guān)鍵因素? 為了獲得準(zhǔn)確且有參考價(jià)值的測量結(jié)果,必須使用低頻(120Hz)測試,并根據(jù)需要考慮施加直流偏壓,同時(shí)確保儀器校準(zhǔn)和環(huán)境溫度合適?
