电容器测试的挑战与方案

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 电容器是基本的电气元件,它出现在几乎任何一种电子硬件中。电容器广泛用于旁路、耦合、滤波和隧道电子电路。但是,为了使用电容器,就必须分析其电容量、额定电压、温度系数和漏电阻等特性。虽然电容器制造商进行这些测试,但是许多电子器件制造商在将电容器应用到产品中时,也要进行上述某些测试来检查质量。

  什么是电容器?

  电容器有点像电池,因为它们都储存电能。在电池内部,化学反应在一端产生电子并在另一端储存电子。但是,电容器比电池简单得多,因为电容器不能产生新电子——它只能储存电子。在电容器内部,连接到两块金属板的端子被非导电物质(称为电介质)隔开。电容器的存储潜力(或电容量)采用法拉度量。

  电容量的测量

  静电计的库仑功能可以配合阶跃电压源使用,以测量从几百纳法到<10pF范围的电容量。将未知电容与静电计的输入和阶跃电压源串联。

  电容量的计算公式为:

 

  图1示出了用静电计和内部电压源测量电容量的基础配置。其中,测量仪器处于电荷(或库仑)模式并且其电压源提供阶跃电压。在打开电压源之前,应当禁用仪表的零位检查功能并用REL功能将显示的电荷读数清零,零位检查的目的是防止输入FET过载并使测量仪器回零。当启用零位校验功能时,根据所使用静电计类型的不同,静电计的输入电阻范围约从10MΩ至100MΩ。当改变输入电路的条件时(例如改变功能和连接),应当启用零位检查功能。REL功能是从实际读数中减去一个参考值。当启用REL功能后,测量仪器使用当前读数作为相对值。之后的读数将是实际输入值与相对值的差。

  接着,打开电压源,随即记录下电荷读数。再用这个公式计算电容量:

  其中:Q2=最终电荷

  Q1=初始电荷(假定为零)

  V2=阶跃电压

  V1=初始电压(假定为零)

  记录完读数后,将电压源复位到0V以消耗器件中的电荷。在接触器件前,请核实电容已经放电并达到安全电平。未知电容应放在屏蔽的测试装置中。该屏蔽连至静电计的LO输入端。HI输入端应当连至未知电容的最高阻抗端。如果电荷速率太高,由于输入级暂时变为饱和,会导致测量结果出错。为了限制静电计输入端的电荷转移速率,要在电压源和电容之间串联一个电阻器。当电容值>1nF时,尤其如此。串联电阻器的典型阻值为10kΩ~1MΩ。


        电容器漏电

  漏电是电容器的非理想特性之一,用绝缘电阻(IR)来描述。对于给定的介质材料,其有效并联电阻与电容成反比。这是因为电阻与介质的厚度成正比,与电容面积成反比。电容与面积成正比,与分开的距离成反比。因此,用于量化电容器漏电的常用单位是电容与泄漏电阻的积,通常用兆欧姆-微法拉(MΩ•μF)表示。电容器漏电的测量是施加固定电压至被测电容器并测量产生的电流。因为泄漏电流随时间的增加将以指数形式衰减,所以通常先施加一段时间(延迟时间)的电压再测量电流。

 

  绝缘电阻值取决于电介质

  理论上,电容器的电介质可由任意非导电物质组成。但在实际应用中,使用的材料要最适于电容器的功能。例如聚苯乙烯、聚碳酸酯或Teflon®等聚合物介质。根据所使用的具体材料和纯度,其绝缘电阻范围可从104MΩ•μF至108MΩ•μF。例如,1000pF的Teflon电容器具有高于1017Ω的绝缘电阻,就记为>108MΩ•μF。诸如X7R或NPO等陶瓷的绝缘电阻范围可从103MΩ•μF至106MΩ•μF。电解电容器(例如钽或铝)的泄漏电阻相对低得多,通常从1MΩ•μF至100MΩ•μF。例如,4.7μF铝电容如果规定为50MΩ•μF,那么其绝缘电阻至少为10.6MΩ。

  电容器漏电的测试方法

  图2示出了电容器漏电测试的常规电路。在这个电路中,在电容器(CX)上施加一段延迟时间的电压后用安培表测量电流。电阻器(R)与电容器串联并且电阻器有两个重要功能。首先,当电容器短路时它有限流作用。其次,电容器的电抗随频率升高而降低,这会增加反馈安培计的增益。电阻器能将增益限制在有限值范围内。电阻器的合理阻值是让RC的乘积在0.5~2S范围内。开关(S)虽然并非绝对必要,但是它在电路中能对电容器两端的电压进行控制。

  而且,串联电阻器给测量结果加入了Johnson噪声——这是任何电阻器都会产生的热噪声。在室温条件下,这种噪声约为A,峰峰值。在典型的3Hz带宽下,1TΩ反馈电阻器的电流噪声约为8×10-16A。在10V条件下测量1016Ω的绝缘电阻时,噪声电流将占测量电流的80%。

  替代的测试电路

  通过在电路中加入正向偏置二极管(D)可以获得更高的测量准确度,如图3所示。二极管的行为很像可变电阻,当电容器的充电电流高时其阻值很低,当电流随时间增加而降低时二极管的电阻值增大。由此,串联电阻器的阻值可以较之前低得多,因为它只需用于当电容器短路时防止电压源过载和二极管损坏。采用的二极管应为小信号二极管,例如IN914或IN3595,但是它必须密封在不透光的封装内以消除光电干扰和静电干扰。对于双极性测试,应使用两颗背靠背并联的二极管。

  测试硬件的考虑

  当测量电容器的漏电时,测量仪器的选择需要考虑多个方面。

  ● 虽然完全可以建立带分立电压源的系统,但是集成系统可以极大地简化配置和设置过程,因此请寻找具有内建可变电压源的静电计或皮安表。因为连续可变电压源能提供电压系数的便捷计算。对于高额定电压电容器的高阻测量,最好选用内建电流限制的1000V电压源。对于给定电容器,在其额定电压范围内施加的电压越大产生的漏电流也越大。以同样的固有噪底测量较大电流会得到较高信噪比,进而获得更准确的读数。

       ● 温度和湿度对高阻测量影响很大,所以监测、调节和记录这些条件对于确保测量准确度至关重要。例如吉时利6517B型静电计/源(图4)等新推出的电表具有同步监测温度和湿度的能力。这不但能记录条件还能更方便地确定温度系数。自动时间戳的读数还能进一步记录时间分辨的测量。

  ● 测试设置中加入开关硬件可以实现测试过程自动化。对于实验室台式测试设置的小批量测试,请考虑使用静电计以提供开关插卡的便捷性。对于较大批量的电容器测试,请寻找能轻松集成较多通道数开关系统的测量仪器。

  测试系统配置实例

  为了获得足够多的有用数据以便统计分析,需要快速测试大量电容器。显然,手动测试不切实际,因而需要自动测试系统。图5示出的系统利用了内建电压源的静电计以及封装了低电流扫描卡和C型开关卡的开关主机。在此测试设置中,一台测试仪器就能提供电压源与低电流测量的功能。计算机控制测量仪器自动进行测试。

  使用一组开关轮流为每颗电容器施加测试电压;使用第二组开关在适当的延迟时间后将每颗电容器连至静电计的皮安表输入端。当测试完电容器后,电压源应当置为零,然后将电容器放电一段时间后再从测试装置上移走。需要注意的是,在图5中,电容器的放电通道经过继电器的常闭触点。为了防止电击,测试连接的配置必须避免用户接触导体、连接或DUT。安全安装要求正确的屏蔽、障碍和接地以防接触导体。

  如果需要的话,可以实现更为复杂的测试系统,其中组合了漏电测量与电容测量、介质吸收和其他测试。这种测试系统的简化方案如图6所示,其中使用了LCR(LCZ)桥和带电压源的皮安表。

  测试系统的安全性

  许多电气测试系统或仪器都能测量或输出危险的电压和功率电平。在单错误情况下(例如,程序设计错误或仪器故障),甚至在系统提示当前无危险的情况下,也可能输出危险电平。这些高电压和高功率电平对于保护操作人员在任何时候远离所有危险来说至关重要。测试系统设计、集成和安装工程师的责任是确保对操作和维护人员的保护既到位又有效。保护方法包括:

  ● 设计好测试装置,以防操作人员接触任何危险电路;

  ● 确保被测器件完全封闭,以保护操作人员免受飞溅碎片的伤害;

  ● 操作人员可能接触到的所有电气连接都必须双重绝缘。双重绝缘可以在其中一个绝缘层失效后仍然能确保操作人员的安全;

  ● 当打开测试装置盖时,使用可靠性高的失效-安全互锁开关断开电源;

  ● 只要可能均使用自动机械手,让操作人员不接触测试装置的内部;

  ● 为系统的全部用户提供适当的培训,让大家理解所有潜在危险并知道如何保护自己免受伤害。