高容量MLCC测试说明

发布时间：2023-08-14

我们用LCR仪表测量高容量的MLCC（X5R/X7R材质等）时，通常得到的容值为什么会出现低于规定公差范围的容值呢？因为II类材质MLCC的容量是随着温度、电压(AC/DC)和频率的变化而发生明显变化的。所以我们测得不合格原因有：

 （1）您没有使用规定的测量条件来测量。

 （2）仪表测量条件设置不正确或使用的测量仪器不具备精确测量所需的能力。

针对问题（1）的解决方案就是我们必须充分了解MLCC的特性和测量条件。即MLCC的容量和损耗具有随温度、频率和电压的变化而变化的特性。所以我们测量容量和损耗因数的时候，应规定三个测量条件“温度”、“电压（AC/DC）”和“频率”。高容量MLCC的测量条件如表1所示。

表1：

针对问题（2）的解决方案就是我们要了解测量仪器的测量能力并确认其满足表1中列出的测量条件。

MLCC的测量仪器主要有哪些？其测量原理是怎么样的呢？其测试方法又如何？高容产品如何才能测量出准确的容值呢？接下来我们将会从测量仪器、测量原理和举例测试进一步说明。

我们常用的典型LCR测量仪器是德科技（前身是安捷伦科技）的4980A、4981A、4278A和4268A等，如图1所示。

图1：E4980A电桥

图2：16334A夹具

电桥的测量原理：

LCR仪表的典型测量系统是“自动平衡电桥法”，如图2所示。

在图2中， 流经电阻R的电流始终等于流经DUT（被测元件）的电流，即DUT（低电压侧）的L侧端电势始终等于虚拟接地电平（电势=0）。在这种情况下，可以确定DUT的阻抗值。

根据输出电压E2、反馈电阻R和输入电压V1如下：

   Zx=R∗V1/V2

   V1= |V1| ∠θ1 = |V1|cosθ1+|V1|sinθ1

   V2= |V2| ∠θ2 = |V2|cosθ2+|V2|sinθ2

  此时，同时测量V1和V2、q1和q2的相位角，并根据上述相位角和Zx值计算“电阻分量Rx”和“电抗分量Xx”，由此确定容量和损耗因子。

图3：自动平衡桥原理图

测量电压原理：

LCR仪表通常提供内部电阻以保护其自身的电源电路。根据该电阻的值，加载在被测电容器两端的电压差值太低的话，会直接影响电容器的容量和损耗测量。

使用图4所示的简单等效电路模型来解释这种机理。向被测元件DUT施加测量电压E_{dut 。}施加到DUT的测量电压E_dut由下式确定：

因此，电容器的测量电压不同于电源电压。我们建议使用自动将“测量电压”保持在预设电压（ALC功能）的LCR电桥。当使用不提供此功能的LCR表时，您必须手动测量被测电容器端子之间的实际电压，并手动调整。

图4：测量电压原理图

电容测量电路模式：

电容测量电路模式通常包括两种类型的电路模式，分别是并联等效电路模式和串联等效电路模式。

（1）在小电容的情况下（见图5）：

小电容具有大电抗，即高阻抗，这导致并联电阻Rp对测量的影响远大于串联电阻Rs的影响，因此可以忽略Rs，测量电路提供并联等效电路模式。

（2）在大电容的情况下（见图6）：

   大电容具有小电抗，即低阻抗，这使得串联电阻Rs对测量的影响远大于并联电容Rp，因此可以忽略Rp，测量电路提供串联等效电路模式。

图5：并联等效电路模式    图6：串联等效电路模式

（3）测量电路模式根据待测电容器的阻抗值确定，该电容器相对于电桥的内部阻抗一般以约10Ω切换。因此，当电容器的阻抗变为10Ω或更大，其通过并联等效电路模式测量。当测量超过10μF的电容，使用串联等效电路模式，因为其阻抗低于10Ω。

采用E4980A电桥和夹具16334A测量MLCC演示：

在测量之前需提前打开设备预热30分钟以上，以及进行短路和开路校准。下面将用示例说明为什么我们测量高容产品时，会出现容值偏低的现象。

示例：测量1206 X5R 47μF ±20% 6.3V产品的容量和损耗。

测量该产品请使用表1的正确测量条件，正确的测量频率和电压为“120Hz”和“0.5Vrm”，若用错误的条件测量，如频率“1KHz”和电压“1Vrm”测量到的容量会低很多。

如图7显示，用频率和电压为120Hz，0.5Vrm的条件测量，容值和损耗分别为42.24μF和7.28%，在规定的容量和损耗公差范围内，结果合格。输出电压指电桥的实际输出电压，即加到被测电容器两端的电压为500mV。

图7：测量条件：120Hz，0.5Vrm

如图8显示，用频率和电压为1KHz，1Vrm的条件测量，容值为32μF，容值非常低，不在规定的容量公差范围内，比用正确条件测量的容值还低20%以上。输出电压，即加到被测电容器两端的电压约为49.55mV，比设定值1Vrm还低很多。

图8 测量条件：1KHz，1Vrm

那么测量条件正确的情况下，我们测量出来的容值还会偏低么？这关系到测量仪器的实际输出电压问题的讨论。当我们的测试电压设置为1Vrm，但实际输出电压达不到1Vrm时，我们测量的容值是不准确的。为保证实际输出电压能达到1Vrm，我们必须将电桥的ALC（自动电平控制）设置为“ON”状态。

以0805 X7R 10μF ±10% 16V的产品为例，采用1KHz，1Vrm的条件测量（如图9和图10），当电桥ALC开启时，测量得到准确的容量为10.31μF。当电桥ALC关闭时，实际输出电压不足1Vrm，测量得到的容量很低，为8.32μF，此时的容量不准确。

如图9所示，测试产品之前，将电桥的ALC设置为“ON”状态，显示界面电压设置处level有星号“*”显示，表示ALC已开启，测量电压（实际输出电压）为1Vrm，此时测量的容值为10.31μF，在容量的规定公差范围内。

图9：ALC设置为“ON”状态

如图10所示，电桥的ALC设置为“OFF”状态，显示界面电压设置处level没有星号“*”显示，表示ALC关闭，测量电压（实际输出电压）约为186mV，容值约为8.32μF，容值明显偏低，不准确。

图10：ALC设置为“OFF”状态

最后，我们回顾一下测量准确容量的方法，一是必须选择正确的测量条件（温度、频率、电压），二必须设置正确的条件及仪器满足精确测量的能力（实际输出电压应等于设置电压）。