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測量。在測量參數和儀器都準備好的情況下，還需要合適的夾具將電容連接到測量?jì)x器上。本文介紹一種簡(jiǎn)單的吸錫線(xiàn)夾具來(lái)達到測量的目的。雖然它具有誤差大、連接不確定和連接阻抗不穩定等缺點(diǎn)，但對于頻率在10MHz以下和阻抗只有幾個(gè)mΩ的情況，這種簡(jiǎn)單的夾具足夠應付了。

 

旁路電容器的阻抗可以在相當寬的頻率范圍內測量，我們可以由此了解該部件的小信號等效行為。通過(guò)對復阻抗進(jìn)行后處理，可以得到作為頻率函數的電容、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)參數和溫度添加到輸入參數組中。這些在早期出版的書(shū)刊中都有詳細描述。用于同樣目的的儀器和測量設置也早已確定。為了測量具有高電容和低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）。

 

一旦準備好測量?jì)x器，接下來(lái)的挑戰就是如何將電容器連接到儀器上。對于快速和簡(jiǎn)單的測量，自制的夾具就足以應對啦。

 

吸錫線(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)并在中間切斷，可以得到兩根相同長(cháng)度的電纜。低頻時(shí)，連接器類(lèi)型無(wú)關(guān)緊要，而SMA連接器相對較小，成本低且容易從市面上買(mǎi)到。切割后，電纜線(xiàn)長(cháng)度要足夠長(cháng)，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上（如果可以的話(huà)，我們應該選擇盡量短的電纜，只要可以連接就行了） 。

 

剝開(kāi)開(kāi)口端的塑料護套，解開(kāi)約1/4英寸線(xiàn)辮，并用辮子的方法連接起來(lái)。接下來(lái)，切割兩個(gè)1英寸的吸錫線(xiàn)，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。我們需要標記清楚，哪個(gè)是連接中心線(xiàn)的，哪個(gè)是連接同軸電纜線(xiàn)辮的。我們可以使用彩色熱縮管，也可以像圖1那樣，用較長(cháng)的熱縮管標識同軸電纜的返回（線(xiàn)辮側）。

 

圖1：夾具的吸錫線(xiàn)（上圖）和D號電容器（下圖）。

 

電容器可以放置在兩個(gè)裸露的吸錫線(xiàn)導體之間，構成一個(gè)雙端口分路測量方案。在圖1的下面，夾具中是一個(gè)D號（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(guò)壓力產(chǎn)生接觸，可以避免組件產(chǎn)生熱應力，還可以快速更換測量器件。壓力安裝連接可以通過(guò)裝有彈簧的塑料或木夾來(lái)實(shí)現，甚至可以用手指擠壓夾具使測量器件就位。如果擔心身體阻抗會(huì )引起誤差，可以在沒(méi)有放置電容器時(shí)用手指抓住吸錫線(xiàn)電極，然后讀取阻抗值。只要讀數遠高于電容器的阻抗，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(guò)VNA進(jìn)行簡(jiǎn)單的響應直通校準（response-through calibration）就足夠了。請注意，校準和測量是在不改變/斷開(kāi)電纜的情況下完成的，這可以提高測量的一致性。

 

我們還應該進(jìn)行額外的參考測量，必須在沒(méi)有被測設備（DUT）的情況下（斷開(kāi)）測量夾具，然后再測量有DUT的情況。圖2顯示了這些參考案例的阻抗讀數。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(xiàn)端子用一條吸錫線(xiàn)短路。

 

圖2：開(kāi)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。為了測量真正的低阻抗，我們需要對短路器件進(jìn)行表征，并進(jìn)行更復雜的校準。

 

圖3：D號短路參考器件。

 

在這個(gè)非常原始的夾具中，兩個(gè)VNA端口之間通過(guò)線(xiàn)辮直接連接，形成了一條“隱蔽路徑”。結果，對于短路讀數（以及其它所有讀數），我們得到的是如下參數的混合：

 

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(kāi)路讀數和短路讀數為我們提供了一個(gè)阻抗范圍，在這個(gè)范圍內我們可以信任只做了響應直通校準的夾具所測得的數據：DUT阻抗至少應是上限值的3~5倍（最好是10倍或以上）。在低頻時(shí)，對應于開(kāi)路和短路的跡線(xiàn)阻抗分別為20kΩ和2mΩ。短路阻抗跡線(xiàn)的上升尾部是由它的電感造成的。還要注意儀器噪聲設置的測量下限低于0.1mΩ。

 

圖4顯示了使用該夾具測量的10個(gè)DUT的阻抗大小。這些數據是通過(guò)用手將吸錫線(xiàn)按壓在電容器端子上收集得來(lái)的。

 

圖4：10個(gè)被測電容器的阻抗大小。

 

頻率讀數接近1kHz，表明所測量的470μF電容具有嚴格的容差。當頻率超過(guò)10 kHz，曲線(xiàn)開(kāi)始分散，在1 MHz的串聯(lián)諧振頻率附近發(fā)散度達到最大。對于大容量電容器，數據表僅保證ESR的最大值（不是典型值或最小值），我們在這里看到的發(fā)散是典型的。

 

當然，對于這種簡(jiǎn)單的夾具，我們還需要考慮接觸電阻的擴展和一致性。在串聯(lián)諧振頻率之上，擴展會(huì )繼續。從 1MHz到10MHz的上升表示電感效應。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，電感擴展的可能原因也許是我們將夾具按壓到DUT時(shí)，吸錫線(xiàn)連接線(xiàn)圈的尺寸變了。

 

我們總是可以重新測量異常的器件。這樣我們就知道數據是否需要更新，或一些部件是否異常。記住需要定期清潔吸錫線(xiàn)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(xiàn)軟連接使電纜之間的連接更加不穩定，而且接觸電阻可能變化。但是，對于頻率低于10 MHz、阻抗高于幾mΩ的測量，這種夾具結構簡(jiǎn)單、連接簡(jiǎn)便、校準容易，它所帶來(lái)的好處遠遠超過(guò)其缺點(diǎn)。

 

-Istvan Novak是Oracle的高級首席工程師，在高速數字、RF和模擬電路以及系統設計領(lǐng)域擁有超過(guò)30年的經(jīng)驗。他是IEEE的資深會(huì )員，著(zhù)有兩本有關(guān)電源完整性的書(shū)。他也講授信號和電源完整性課程，并維護一個(gè)SI / PI網(wǎng)站。

 

電子技術(shù)設計。

 

 

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