您是否曾因為被動元件的第二級或第三級參數(shù)、它們的規(guī)格或數(shù)值的變異與改變等相關問題而感到意外或甚至因此而“糾結(jié)”？

最近，我閱讀了一篇技術文章，它讓我感到害怕——事實上，這種情況很少發(fā)生。然而，其內(nèi)容與輕率或匆忙設計無關，或者甚至與軟體錯誤(bug)扯不上邊——這種bug通常直到為時已晚且發(fā)生非常糟糕的情況后才會顯現(xiàn)。取而代之，它其實是關于“尋常、無趣”的積層陶瓷電容器(MLCC)在指定使用時才可能出現(xiàn)的一些問題，以及與取得性能一致性有關的顧慮。

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別之一。陶瓷電容器的結(jié)構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)設計中，我們知道像電容器這一類被動元件(passive)并不會引起太多關注。但事實是，在類比設計和整個物料清單(BOM)的類比部份卻包含很多這類元件：電阻器、電容器、電感器、LED和光感測器，尤其變壓器是當中最常見的被動元件。通常，在BOM上的被動元件數(shù)量是IC數(shù)量的5倍或更多。

雖然在被動元件之中有許多并不是那么關鍵，例如在未端接輸出上的標稱10kΩ上拉電阻；不過，無論是顯而易見還是非常少見，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)常達到GHz和數(shù)GHz的范圍，被動元件的二次特性、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電容器的相對性》(The ‘Relativity’ of High Q Capacitors)中，部份談及了無因次(dimensionless)品質(zhì)因數(shù)Q (quality factor Q)——但你可別把它和007龐德電影中英國情報單位軍情六處的Q先生搞混了！它著眼于會影響該參數(shù)值的電容器設計和生產(chǎn)問題——該參數(shù)通常被認為是第二級因素(電容、容差和工作電壓通常被認為是第一級因素)。

正如在該文中的第一段所描述的那樣：“針對許多高功率射頻(RF)應用，嵌入式電容器的‘Q因數(shù)’(Q factor)是電路設計中最重要的特性之一。”其中包括諸如蜂巢式/電信設備、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。（來源：Johanson Technology）

它討論了供應商在較高頻下表征Q值的各種合理方法(這可不是什么簡單的設置或測試)、在測試設置中多小的誤差會引起定量結(jié)果中較大的誤差，以及所宣稱價值的可接受變異等。其他第二級參數(shù)包括串聯(lián)諧振頻率(SRF)以及并聯(lián)諧振頻率(PRF)，無論電容器設計和測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的MLCC插入損耗。（來源：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的插入損耗。（來源：Johanson Technology）

在我充份掌握MLCC的知識后，當此文談及批次間多么細微的變化(包括相同型號元件的層數(shù)——甚至是來自一家供應商的產(chǎn)品)可能改變這些所謂“相同”電容器的“容值”時，情況變得更加讓我恐懼。尤其，如果你是從其他供應商處購買零件的話，情況一定會更糟。

因此，即使我們努力設計并指定最大容許的Q值和等效串聯(lián)阻(ESR)，實際得到的結(jié)果也可能大不相同。也許會更糟，畢竟批次之間的差異可能相當大，因而會對生產(chǎn)、測試和性能一致性產(chǎn)生巨大影響。

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

但不僅僅是電容器可能出現(xiàn)這種問題。我一直認為很諷刺的是——或者說現(xiàn)實世界給我們一次學習謙遜的教訓——理想的變壓器最初的特征不過是一種眾所周知的電壓與匝數(shù)之簡單關系(Vprimary/Vsecondary = Turnsprimary/Turnssecondary)，但情況很快就變得復雜了。

一旦你開始考慮損耗、自發(fā)熱、邊緣效應、溫度系數(shù)以及對導線電阻、磁性能和繞組布局的影響等等問題時，設計就變得非常棘手。如果再加上制造變異和容差等現(xiàn)實問題的話，曾經(jīng)單純認為理想的變壓器馬上就成為一種非常復雜的元件了，而且當它隨著頻率提高到MHz和更高的范圍時，一切還會變得更具挑戰(zhàn)性。

當然，如果使用通用的多維建模和模擬工具，同時考慮電氣、機械、材料和散熱等關聯(lián)因素(如COMSOL模擬工具)，或者使用針對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計和設計導入(design-in)的問題。盡管如此，特別是在更高的功率級時，許多的變壓器設計仍然依賴于直覺、經(jīng)驗和手動操作等知識，以及每一家供應商的“獨家配方”。

好消息是，從具有高度分析性的學術論文、供應商和工程師的實用見解，以及來自供應商甚至是經(jīng)驗豐富的業(yè)余愛好者提供手動“操作方法”等資料中，我們可以找到許多良好的被動元件資訊來源。

您是否曾因為被動元件的第二級或第三級參數(shù)、它們的規(guī)格或其值的變異與改變等相關問題而感到意外(或甚至因此而“糾結(jié)”)呢？