最近,我閱讀了一篇技術文章,它讓我感到害怕——事實上,這種情況很少發生。然而,其內容與輕率或匆忙設計無關,或者甚至與軟體錯誤(bug)扯不上邊——這種bug通常直到為時已晚且發生非常糟糕的情況後才會顯現。取而代之,它其實是關於「尋常、無趣」的積層陶瓷電容器(MLCC)在指定使用時才可能出現的一些問題,以及與取得性能一致性有關的顧慮。

陶瓷電容器是以陶瓷為介電質的電容器,也是電子裝置中最常使用的電容,而MLCC則是其中最廣泛使用的子類別之一。陶瓷電容器的結構是由二層或更多層交替出現的陶瓷層和金屬層所組成,並由金屬層連結到電容器的電極。

在大多數設計中,我們知道像電容器這一類被動元件(passive)並不會引起太多關注。但事實是,在類比設計和整個物料清單(BOM)的類比部份卻包含很多這類元件:電阻器、電容器、電感器、LED和光感測器,尤其變壓器是當中最常見的被動元件。通常,在BOM上的被動元件數量是IC數量的5倍或更多。

雖然在被動元件之中有許多並不是那麼關鍵,例如在未端接輸出上的標稱10kΩ上拉電阻;不過,無論是顯而易見還是非常少見,它們其中也有許多都是非常重要的。此外,隨著工作頻率經常達到GHz和數GHz的範圍,被動元件的二次特性、三次特性以及一致性也隨之變得更重要。

最近,在醫療網站Medical Design Briefs發表的一篇文章——《高Q電容器的相對性》(The ‘Relativity’ of High Q Capacitors)中,部份談及了無因次(dimensionless)品質因數Q (quality factor Q)——但你可別把它和007龐德電影中英國情報單位軍情六處的Q先生搞混了!它著眼於會影響該參數值的電容器設計和生產問題——該參數通常被認為是第二級因素(電容、容差和工作電壓通常被認為是第一級因素)。

正如在該文中的第一段所描述的那樣:「針對許多高功率射頻(RF)應用,嵌入式電容器的‘Q因數’(Q factor)是電路設計中最重要的特性之一。」其中包括諸如蜂巢式/電信設備、磁振造影(MRI)線圈、等離子產生器、雷射器,以及其他醫療、軍事和工業電子產品等。

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圖1:除了盡可能地減少能量損耗,高Q電容器還有助於降低熱雜訊。(來源:Johanson Technology)

它討論了供應商在較高頻下表徵Q值的各種合理方法(這可不是什麼簡單的設置或測試)、在測試設置中多小的誤差會引起定量結果中較大的誤差,以及所宣稱價值的可接受變異等。其他第二級參數包括串聯諧振頻率(SRF)以及並聯諧振頻率(PRF),無論電容器設計和測量的安裝方式是水平還是垂直(圖2圖3)等等。

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圖2:電極與基板表面平行時的MLCC插入損耗。(來源:Johanson Technology)

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圖3:在相同電容器容值條件下,電極與基板表面垂直安裝時的插入損耗。(來源:Johanson Technology)

在我充份掌握MLCC的知識後,當此文談及批次間多麼細微的變化(包括相同型號元件的層數——甚至是來自一家供應商的產品)可能改變這些所謂「相同」電容器的「容值」時,情況變得更加讓我恐懼。尤其,如果你是從其他供應商處購買零件的話,情況一定會更糟。

因此,即使我們努力設計並指定最大容許的Q值和等效串聯阻(ESR),實際得到的結果也可能大不相同。也許會更糟,畢竟批次之間的差異可能相當大,因而會對生產、測試和性能一致性產生巨大影響。

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圖4:高Q電容器可透過減少天線與收發器之間的損耗以提高接收器靈敏度。(來源:Johanson Technology)

但不僅僅是電容器可能出現這種問題。我一直認為很諷刺的是——或者說現實世界給我們一次學習謙遜的教訓——理想的變壓器最初的特徵不過是一種眾所周知的電壓與匝數之簡單關係(Vprimary/Vsecondary = Turnsprimary/Turnssecondary),但情況很快就變得複雜了。

一旦你開始考慮損耗、自發熱、邊緣效應、溫度係數以及對導線電阻、磁性能和繞組佈局的影響等等問題時,設計就變得非常棘手。如果再加上製造變異和容差等現實問題的話,曾經單純認為理想的變壓器馬上就成為一種非常複雜的元件了,而且當它隨著頻率提高到MHz和更高的範圍時,一切還會變得更具挑戰性。

當然,如果使用通用的多維建模和模擬工具,同時考慮電氣、機械、材料和散熱等關聯因素(如COMSOL模擬工具),或者使用針對某種元件最佳化的單一用途利基工具,那麼就可能大幅減輕元件設計和設計導入(design-in)的問題。儘管如此,特別是在更高的功率級時,許多的變壓器設計仍然依賴於直覺、經驗和手動操作等知識,以及每一家供應商的「獨家配方」。

好消息是,從具有高度分析性的學術論文、供應商和工程師的實用見解,以及來自供應商甚至是經驗豐富的業餘愛好者提供手動「操作方法」等資料中,我們可以找到許多良好的被動元件資訊來源。

您是否曾因為被動元件的第二級或第三級參數、它們的規格或其值的變異與改變等相關問題而感到意外(或甚至因此而「糾結」)呢?

(參考原文:Do You Really Know Your Passives?,by Bill Schweber)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年12月號