您是否曾因?yàn)楸粍?dòng)元件的第二級(jí)或第三級(jí)參數(shù)、它們的規(guī)格或數(shù)值的變異與改變等相關(guān)問(wèn)題而感到意外或甚至因此而“糾結(jié)”？

最近，我閱讀了一篇技術(shù)文章，它讓我感到害怕——事實(shí)上，這種情況很少發(fā)生。然而，其內(nèi)容與輕率或匆忙設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)，或者甚至與軟體錯(cuò)誤(bug)扯不上邊——這種bug通常直到為時(shí)已晚且發(fā)生非常糟糕的情況后才會(huì)顯現(xiàn)。取而代之，它其實(shí)是關(guān)于“尋常、無(wú)趣”的積層陶瓷電容器(MLCC)在指定使用時(shí)才可能出現(xiàn)的一些問(wèn)題，以及與取得性能一致性有關(guān)的顧慮。

陶瓷電容器是以陶瓷為介電質(zhì)的電容器，也是電子裝置中最常使用的電容，而MLCC則是其中最廣泛使用的子類(lèi)別之一。陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)是由二層或更多層交替出現(xiàn)的陶瓷層和金屬層所組成，并由金屬層連結(jié)到電容器的電極。

在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，我們知道像電容器這一類(lèi)被動(dòng)元件(passive)并不會(huì)引起太多關(guān)注。但事實(shí)是，在類(lèi)比設(shè)計(jì)和整個(gè)物料清單(BOM)的類(lèi)比部份卻包含很多這類(lèi)元件：電阻器、電容器、電感器、LED和光感測(cè)器，尤其變壓器是當(dāng)中最常見(jiàn)的被動(dòng)元件。通常，在BOM上的被動(dòng)元件數(shù)量是IC數(shù)量的5倍或更多。

雖然在被動(dòng)元件之中有許多并不是那么關(guān)鍵，例如在未端接輸出上的標(biāo)稱(chēng)10kΩ上拉電阻；不過(guò)，無(wú)論是顯而易見(jiàn)還是非常少見(jiàn)，它們其中也有許多都是非常重要的。此外，隨著工作頻率經(jīng)常達(dá)到GHz和數(shù)GHz的范圍，被動(dòng)元件的二次特性、三次特性以及一致性也隨之變得更重要。

最近，在醫(yī)療網(wǎng)站Medical Design Briefs發(fā)表的一篇文章——《高Q電容器的相對(duì)性》(The ‘Relativity’ of High Q Capacitors)中，部份談及了無(wú)因次(dimensionless)品質(zhì)因數(shù)Q (quality factor Q)——但你可別把它和007龐德電影中英國(guó)情報(bào)單位軍情六處的Q先生搞混了！它著眼于會(huì)影響該參數(shù)值的電容器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)問(wèn)題——該參數(shù)通常被認(rèn)為是第二級(jí)因素(電容、容差和工作電壓通常被認(rèn)為是第一級(jí)因素)。

正如在該文中的第一段所描述的那樣：“針對(duì)許多高功率射頻(RF)應(yīng)用，嵌入式電容器的‘Q因數(shù)’(Q factor)是電路設(shè)計(jì)中最重要的特性之一。”其中包括諸如蜂巢式/電信設(shè)備、磁振造影(MRI)線圈、等離子產(chǎn)生器、雷射器，以及其他醫(yī)療、軍事和工業(yè)電子產(chǎn)品等。

圖1：除了盡可能地減少能量損耗，高Q電容器還有助于降低熱雜訊。（來(lái)源：Johanson Technology）

它討論了供應(yīng)商在較高頻下表征Q值的各種合理方法(這可不是什么簡(jiǎn)單的設(shè)置或測(cè)試)、在測(cè)試設(shè)置中多小的誤差會(huì)引起定量結(jié)果中較大的誤差，以及所宣稱(chēng)價(jià)值的可接受變異等。其他第二級(jí)參數(shù)包括串聯(lián)諧振頻率(SRF)以及并聯(lián)諧振頻率(PRF)，無(wú)論電容器設(shè)計(jì)和測(cè)量的安裝方式是水平還是垂直(圖2和圖3)等等。

圖2：電極與基板表面平行時(shí)的MLCC插入損耗。（來(lái)源：Johanson Technology）

圖3：在相同電容器容值條件下，電極與基板表面垂直安裝時(shí)的插入損耗。（來(lái)源：Johanson Technology）

在我充份掌握MLCC的知識(shí)后，當(dāng)此文談及批次間多么細(xì)微的變化(包括相同型號(hào)元件的層數(shù)——甚至是來(lái)自一家供應(yīng)商的產(chǎn)品)可能改變這些所謂“相同”電容器的“容值”時(shí)，情況變得更加讓我恐懼。尤其，如果你是從其他供應(yīng)商處購(gòu)買(mǎi)零件的話，情況一定會(huì)更糟。

因此，即使我們努力設(shè)計(jì)并指定最大容許的Q值和等效串聯(lián)阻(ESR)，實(shí)際得到的結(jié)果也可能大不相同。也許會(huì)更糟，畢竟批次之間的差異可能相當(dāng)大，因而會(huì)對(duì)生產(chǎn)、測(cè)試和性能一致性產(chǎn)生巨大影響。

圖4：高Q電容器可透過(guò)減少天線與收發(fā)器之間的損耗以提高接收器靈敏度。（來(lái)源：Johanson Technology）

但不僅僅是電容器可能出現(xiàn)這種問(wèn)題。我一直認(rèn)為很諷刺的是——或者說(shuō)現(xiàn)實(shí)世界給我們一次學(xué)習(xí)謙遜的教訓(xùn)——理想的變壓器最初的特征不過(guò)是一種眾所周知的電壓與匝數(shù)之簡(jiǎn)單關(guān)系(Vprimary/Vsecondary = Turnsprimary/Turnssecondary)，但情況很快就變得復(fù)雜了。

一旦你開(kāi)始考慮損耗、自發(fā)熱、邊緣效應(yīng)、溫度系數(shù)以及對(duì)導(dǎo)線電阻、磁性能和繞組布局的影響等等問(wèn)題時(shí)，設(shè)計(jì)就變得非常棘手。如果再加上制造變異和容差等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的話，曾經(jīng)單純認(rèn)為理想的變壓器馬上就成為一種非常復(fù)雜的元件了，而且當(dāng)它隨著頻率提高到MHz和更高的范圍時(shí)，一切還會(huì)變得更具挑戰(zhàn)性。

當(dāng)然，如果使用通用的多維建模和模擬工具，同時(shí)考慮電氣、機(jī)械、材料和散熱等關(guān)聯(lián)因素(如COMSOL模擬工具)，或者使用針對(duì)某種元件最佳化的單一用途利基工具，那么就可能大幅減輕元件設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)導(dǎo)入(design-in)的問(wèn)題。盡管如此，特別是在更高的功率級(jí)時(shí)，許多的變壓器設(shè)計(jì)仍然依賴(lài)于直覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)和手動(dòng)操作等知識(shí)，以及每一家供應(yīng)商的“獨(dú)家配方”。

好消息是，從具有高度分析性的學(xué)術(shù)論文、供應(yīng)商和工程師的實(shí)用見(jiàn)解，以及來(lái)自供應(yīng)商甚至是經(jīng)驗(yàn)豐富的業(yè)余愛(ài)好者提供手動(dòng)“操作方法”等資料中，我們可以找到許多良好的被動(dòng)元件資訊來(lái)源。

您是否曾因?yàn)楸粍?dòng)元件的第二級(jí)或第三級(jí)參數(shù)、它們的規(guī)格或其值的變異與改變等相關(guān)問(wèn)題而感到意外(或甚至因此而“糾結(jié)”)呢？