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自制吸錫線夾具來測(cè)量旁路電容的特征參數(shù)
發(fā)布時(shí)間:2018-06-28 來源:Istvan Novak 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】旁路電容器在配電網(wǎng)絡(luò)中用得很多?,F(xiàn)在大多數(shù)供應(yīng)商不僅提供旁路電容器的典型特征參數(shù),還提供各種仿真模型。盡管如此,工程師需要能夠自己測(cè)量這些器件的特征參數(shù)。本文介紹了如何自制簡(jiǎn)單的夾具來測(cè)量電容器的特征參數(shù)。
在配電網(wǎng)中會(huì)大量使用旁路電容,其阻抗特性一般需要在比較寬的頻率范圍內(nèi)測(cè)量。在測(cè)量參數(shù)和儀器都準(zhǔn)備好的情況下,還需要合適的夾具將電容連接到測(cè)量?jī)x器上。本文介紹一種簡(jiǎn)單的吸錫線夾具來達(dá)到測(cè)量的目的。雖然它具有誤差大、連接不確定和連接阻抗不穩(wěn)定等缺點(diǎn),但對(duì)于頻率在10MHz以下和阻抗只有幾個(gè)mΩ的情況,這種簡(jiǎn)單的夾具足夠應(yīng)付了。
旁路電容器的阻抗可以在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)測(cè)量,我們可以由此了解該部件的小信號(hào)等效行為。通過對(duì)復(fù)阻抗進(jìn)行后處理,可以得到作為頻率函數(shù)的電容、有效串聯(lián)電感(ESL)和有效串聯(lián)電阻(ESR)。如果需要,也可以將DC和AC偏置電壓相關(guān)參數(shù)和溫度添加到輸入?yún)?shù)組中。這些在早期出版的書刊中都有詳細(xì)描述。用于同樣目的的儀器和測(cè)量設(shè)置也早已確定。為了測(cè)量具有高電容和低ESR的旁路電容的阻抗,在雙端口并聯(lián)連接中要選擇合適的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)。
一旦準(zhǔn)備好測(cè)量?jī)x器,接下來的挑戰(zhàn)就是如何將電容器連接到儀器上。對(duì)于快速和簡(jiǎn)單的測(cè)量,自制的夾具就足以應(yīng)對(duì)啦。
吸錫線夾具
這個(gè)夾具雖然簡(jiǎn)單又原始,但在低頻率下工作得非常好。我們可以用兩根又薄又軟的同軸電纜線,一端帶有連接器,另一端帶有麻花辮。使用一個(gè)RG-178 SMA電纜跳線并在中間切斷,可以得到兩根相同長(zhǎng)度的電纜。低頻時(shí),連接器類型無關(guān)緊要,而SMA連接器相對(duì)較小,成本低且容易從市面上買到。切割后,電纜線長(zhǎng)度要足夠長(zhǎng),以便連接網(wǎng)絡(luò)分析儀和我們的夾具,并放置在前面的工作臺(tái)上(如果可以的話,我們應(yīng)該選擇盡量短的電纜,只要可以連接就行了) 。
剝開開口端的塑料護(hù)套,解開約1/4英寸線辮,并用辮子的方法連接起來。接下來,切割兩個(gè)1英寸的吸錫線,在熱縮短管上滑動(dòng),以串聯(lián)方式焊接兩根同軸電纜,將熱縮管滑動(dòng)到位,最后用熱風(fēng)槍吹熱縮管使之收縮。這樣我們就制作好了一個(gè)靈活的夾具,如圖1所示。我們需要標(biāo)記清楚,哪個(gè)是連接中心線的,哪個(gè)是連接同軸電纜線辮的。我們可以使用彩色熱縮管,也可以像圖1那樣,用較長(zhǎng)的熱縮管標(biāo)識(shí)同軸電纜的返回(線辮側(cè))。
圖1:夾具的吸錫線(上圖)和D號(hào)電容器(下圖)。
電容器可以放置在兩個(gè)裸露的吸錫線導(dǎo)體之間,構(gòu)成一個(gè)雙端口分路測(cè)量方案。在圖1的下面,夾具中是一個(gè)D號(hào)(7.3×4.3 mm)電容器。這種夾具最適合利用安裝壓力產(chǎn)生連接(pressure-mount connection),不適用于焊接。其好處是,通過壓力產(chǎn)生接觸,可以避免組件產(chǎn)生熱應(yīng)力,還可以快速更換測(cè)量器件。壓力安裝連接可以通過裝有彈簧的塑料或木夾來實(shí)現(xiàn),甚至可以用手指擠壓夾具使測(cè)量器件就位。如果擔(dān)心身體阻抗會(huì)引起誤差,可以在沒有放置電容器時(shí)用手指抓住吸錫線電極,然后讀取阻抗值。只要讀數(shù)遠(yuǎn)高于電容器的阻抗,就可以忽略這個(gè)誤差。
如果我們使用短電纜并將頻率限制在10MHz以下,通過VNA進(jìn)行簡(jiǎn)單的響應(yīng)直通校準(zhǔn)(response-through calibration)就足夠了。請(qǐng)注意,校準(zhǔn)和測(cè)量是在不改變/斷開電纜的情況下完成的,這可以提高測(cè)量的一致性。
我們還應(yīng)該進(jìn)行額外的參考測(cè)量,必須在沒有被測(cè)設(shè)備(DUT)的情況下(斷開)測(cè)量夾具,然后再測(cè)量有DUT的情況。圖2顯示了這些參考案例的阻抗讀數(shù)。我們所用的短路裝置如圖3所示。額外的電容器被拿走,零件底部的接線端子用一條吸錫線短路。
圖2:開路和短路情況下的阻抗大小。
注意,短路參考器件的阻抗不完全為零,它具有有限的電阻和電感。為了測(cè)量真正的低阻抗,我們需要對(duì)短路器件進(jìn)行表征,并進(jìn)行更復(fù)雜的校準(zhǔn)。
圖3:D號(hào)短路參考器件。
在這個(gè)非常原始的夾具中,兩個(gè)VNA端口之間通過線辮直接連接,形成了一條“隱蔽路徑”。結(jié)果,對(duì)于短路讀數(shù)(以及其它所有讀數(shù)),我們得到的是如下參數(shù)的混合:
a)DUT的實(shí)際阻抗;
b)一些接觸電阻;
c)由這條“隱蔽路徑”產(chǎn)生的殘余誤差。
開路讀數(shù)和短路讀數(shù)為我們提供了一個(gè)阻抗范圍,在這個(gè)范圍內(nèi)我們可以信任只做了響應(yīng)直通校準(zhǔn)的夾具所測(cè)得的數(shù)據(jù):DUT阻抗至少應(yīng)是上限值的3~5倍(最好是10倍或以上)。在低頻時(shí),對(duì)應(yīng)于開路和短路的跡線阻抗分別為20kΩ和2mΩ。短路阻抗跡線的上升尾部是由它的電感造成的。還要注意儀器噪聲設(shè)置的測(cè)量下限低于0.1mΩ。
圖4顯示了使用該夾具測(cè)量的10個(gè)DUT的阻抗大小。這些數(shù)據(jù)是通過用手將吸錫線按壓在電容器端子上收集得來的。
圖4:10個(gè)被測(cè)電容器的阻抗大小。
頻率讀數(shù)接近1kHz,表明所測(cè)量的470μF電容具有嚴(yán)格的容差。當(dāng)頻率超過10 kHz,曲線開始分散,在1 MHz的串聯(lián)諧振頻率附近發(fā)散度達(dá)到最大。對(duì)于大容量電容器,數(shù)據(jù)表僅保證ESR的最大值(不是典型值或最小值),我們?cè)谶@里看到的發(fā)散是典型的。
當(dāng)然,對(duì)于這種簡(jiǎn)單的夾具,我們還需要考慮接觸電阻的擴(kuò)展和一致性。在串聯(lián)諧振頻率之上,擴(kuò)展會(huì)繼續(xù)。從 1MHz到10MHz的上升表示電感效應(yīng)。電感與電流路徑的形狀有關(guān)。由于這些電容器的大小和形狀非常一致,電感擴(kuò)展的可能原因也許是我們將夾具按壓到DUT時(shí),吸錫線連接線圈的尺寸變了。
我們總是可以重新測(cè)量異常的器件。這樣我們就知道數(shù)據(jù)是否需要更新,或一些部件是否異常。記住需要定期清潔吸錫線表面以去除污漬,同時(shí)還必須確保元件端子干凈。
總之,這種簡(jiǎn)單的夾具可能確實(shí)有一些缺點(diǎn):“隱蔽路徑”會(huì)引起誤差,吸錫線軟連接使電纜之間的連接更加不穩(wěn)定,而且接觸電阻可能變化。但是,對(duì)于頻率低于10 MHz、阻抗高于幾mΩ的測(cè)量,這種夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接簡(jiǎn)便、校準(zhǔn)容易,它所帶來的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其缺點(diǎn)。
-Istvan Novak是Oracle的高級(jí)首席工程師,在高速數(shù)字、RF和模擬電路以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域擁有超過30年的經(jīng)驗(yàn)。他是IEEE的資深會(huì)員,著有兩本有關(guān)電源完整性的書。他也講授信號(hào)和電源完整性課程,并維護(hù)一個(gè)SI / PI網(wǎng)站。
電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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