在配電網中會大量使用旁路電容，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儀器上。本文介紹一種簡單的吸錫線夾具來達到測量的目的。雖然它具有誤差大、連接不確定和連接阻抗不穩定等缺點，但對于頻率在10MHz以下和阻抗只有幾個mΩ的情況，這種簡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。通過對復阻抗進行后處理，可以得到作為頻率函數的電容、有效串聯電感（ESL）和有效串聯電阻（ESR）。如果需要，也可以將DC和AC偏置電壓相關參數和溫度添加到輸入參數組中。這些在早期出版的書刊中都有詳細描述。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，在雙端口并聯連接中要選擇合適的矢量網絡分析儀（VNA）。

 

一旦準備好測量儀器，接下來的挑戰就是如何將電容器連接到儀器上。對于快速和簡單的測量，自制的夾具就足以應對啦。

 

吸錫線夾具

 

這個夾具雖然簡單又原始，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RG-178 SMA電纜跳線并在中間切斷，可以得到兩根相同長度的電纜。低頻時，連接器類型無關緊要，而SMA連接器相對較小，成本低且容易從市面上買到。切割后，電纜線長度要足夠長，以便連接網絡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，我們應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1英寸的吸錫線，在熱縮短管上滑動，以串聯方式焊接兩根同軸電纜，將熱縮管滑動到位，最后用熱風槍吹熱縮管使之收縮。這樣我們就制作好了一個靈活的夾具，如圖1所示。我們需要標記清楚，哪個是連接中心線的，哪個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，用較長的熱縮管標識同軸電纜的返回（線辮側）。

 

圖1：夾具的吸錫線（上圖）和D號電容器（下圖）。

 

電容器可以放置在兩個裸露的吸錫線導體之間，構成一個雙端口分路測量方案。在圖1的下面，夾具中是一個D號（7.3×4.3 mm）電容器。這種夾具最適合利用安裝壓力產生連接（pressure-mount connection），不適用于焊接。其好處是，通過壓力產生接觸，可以避免組件產生熱應力，還可以快速更換測量器件。壓力安裝連接可以通過裝有彈簧的塑料或木夾來實現，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引起誤差，可以在沒有放置電容器時用手指抓住吸錫線電極，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進行簡單的響應直通校準（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。

 

我們還應該進行額外的參考測量，必須在沒有被測設備（DUT）的情況下（斷開）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。為了測量真正的低阻抗，我們需要對短路器件進行表征，并進行更復雜的校準。

 

圖3：D號短路參考器件。

 

在這個非常原始的夾具中，兩個VNA端口之間通過線辮直接連接，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的實際阻抗；

b）一些接觸電阻；

c）由這條“隱蔽路徑”產生的殘余誤差。

 

開路讀數和短路讀數為我們提供了一個阻抗范圍，在這個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，對應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DUT的阻抗大小。這些數據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10 kHz，曲線開始分散，在1 MHz的串聯諧振頻率附近發散度達到最大。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散是典型的。

 

當然，對于這種簡單的夾具，我們還需要考慮接觸電阻的擴展和一致性。在串聯諧振頻率之上，擴展會繼續。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。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，吸錫線連接線圈的尺寸變了。

 

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表面以去除污漬，同時還必須確保元件端子干凈。

 

總之，這種簡單的夾具可能確實有一些缺點：“隱蔽路徑”會引起誤差，吸錫線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，這種夾具結構簡單、連接簡便、校準容易，它所帶來的好處遠遠超過其缺點。

 

-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域擁有超過30年的經驗。他是IEEE的資深會員，著有兩本有關電源完整性的書。他也講授信號和電源完整性課程，并維護一個SI / PI網站。

 

電子技術設計。

 

 

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