你对被动元件参数感到过纠结吗？

崔灏然 2020-01-16 2401

电子说

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您是否曾因为被动元件的第二级或第三级参数、它们的规格或数值的变异与改变等相关问题而感到意外或甚至因此而“纠结”？

最近，我阅读了一篇技术文章，它让我感到害怕——事实上，这种情况很少发生。然而，其内容与轻率或匆忙设计无关，或者甚至与软体错误(bug)扯不上边——这种bug通常直到为时已晚且发生非常糟糕的情况后才会显现。取而代之，它其实是关于“寻常、无趣”的积层陶瓷电容器(MLCC)在指定使用时才可能出现的一些问题，以及与取得性能一致性有关的顾虑。

陶瓷电容器是以陶瓷为介电质的电容器，也是电子装置中最常使用的电容，而MLCC则是其中最广泛使用的子类别之一。陶瓷电容器的结构是由二层或更多层交替出现的陶瓷层和金属层所组成，并由金属层连结到电容器的电极。

在大多数设计中，我们知道像电容器这一类被动元件(passive)并不会引起太多关注。但事实是，在类比设计和整个物料清单(BOM)的类比部份却包含很多这类元件：电阻器、电容器、电感器、LED和光感测器，尤其变压器是当中最常见的被动元件。通常，在BOM上的被动元件数量是IC数量的5倍或更多。

虽然在被动元件之中有许多并不是那么关键，例如在未端接输出上的标称10kΩ上拉电阻；不过，无论是显而易见还是非常少见，它们其中也有许多都是非常重要的。此外，随着工作频率经常达到GHz和数GHz的范围，被动元件的二次特性、三次特性以及一致性也随之变得更重要。

最近，在医疗网站Medical Design Briefs发表的一篇文章——《高Q电容器的相对性》(The ‘Relativity’ of High Q Capacitors)中，部份谈及了无因次(dimensionless)品质因数Q (quality factor Q)——但你可别把它和007庞德电影中英国情报单位军情六处的Q先生搞混了！它着眼于会影响该参数值的电容器设计和生产问题——该参数通常被认为是第二级因素(电容、容差和工作电压通常被认为是第一级因素)。

正如在该文中的第一段所描述的那样：“针对许多高功率射频(RF)应用，嵌入式电容器的‘Q因数’(Q factor)是电路设计中最重要的特性之一。”其中包括诸如蜂巢式/电信设备、磁振造影(MRI)线圈、等离子产生器、雷射器，以及其他医疗、军事和工业电子产品等。

图1：除了尽可能地减少能量损耗，高Q电容器还有助于降低热杂讯。（来源：Johanson Technology）

它讨论了供应商在较高频下表征Q值的各种合理方法(这可不是什么简单的设置或测试)、在测试设置中多小的误差会引起定量结果中较大的误差，以及所宣称价值的可接受变异等。其他第二级参数包括串联谐振频率(SRF)以及并联谐振频率(PRF)，无论电容器设计和测量的安装方式是水平还是垂直(图2和图3)等等。

图2：电极与基板表面平行时的MLCC插入损耗。（来源：Johanson Technology）

图3：在相同电容器容值条件下，电极与基板表面垂直安装时的插入损耗。（来源：Johanson Technology）

在我充份掌握MLCC的知识后，当此文谈及批次间多么细微的变化(包括相同型号元件的层数——甚至是来自一家供应商的产品)可能改变这些所谓“相同”电容器的“容值”时，情况变得更加让我恐惧。尤其，如果你是从其他供应商处购买零件的话，情况一定会更糟。

因此，即使我们努力设计并指定最大容许的Q值和等效串联阻(ESR)，实际得到的结果也可能大不相同。也许会更糟，毕竟批次之间的差异可能相当大，因而会对生产、测试和性能一致性产生巨大影响。

图4：高Q电容器可透过减少天线与收发器之间的损耗以提高接收器灵敏度。（来源：Johanson Technology）

但不仅仅是电容器可能出现这种问题。我一直认为很讽刺的是——或者说现实世界给我们一次学习谦逊的教训——理想的变压器最初的特征不过是一种众所周知的电压与匝数之简单关系(Vprimary/Vsecondary = Turnsprimary/Turnssecondary)，但情况很快就变得复杂了。

一旦你开始考虑损耗、自发热、边缘效应、温度系数以及对导线电阻、磁性能和绕组布局的影响等等问题时，设计就变得非常棘手。如果再加上制造变异和容差等现实问题的话，曾经单纯认为理想的变压器马上就成为一种非常复杂的元件了，而且当它随着频率提高到MHz和更高的范围时，一切还会变得更具挑战性。

当然，如果使用通用的多维建模和模拟工具，同时考虑电气、机械、材料和散热等关联因素(如COMSOL模拟工具)，或者使用针对某种元件最佳化的单一用途利基工具，那么就可能大幅减轻元件设计和设计导入(design-in)的问题。尽管如此，特别是在更高的功率级时，许多的变压器设计仍然依赖于直觉、经验和手动操作等知识，以及每一家供应商的“独家配方”。

好消息是，从具有高度分析性的学术论文、供应商和工程师的实用见解，以及来自供应商甚至是经验丰富的业余爱好者提供手动“操作方法”等资料中，我们可以找到许多良好的被动元件资讯来源。

您是否曾因为被动元件的第二级或第三级参数、它们的规格或其值的变异与改变等相关问题而感到意外(或甚至因此而“纠结”)呢？

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