高Q电容的相关性

高Q电容的相关性

　　对于许多大功率射频应用而言，嵌入式电容器的“Q 因子”是电路设计中最重要的特性之一。这包括蜂窝/电信设备、MRI 线圈、等离子发生器、激光器和其他医疗、军事和工业电子产品等产品。

　　通常以数学公式表示，Q 因数代表给定电容器的能量损失率方面的效率。理论上，一个“完美”的电容器不会表现出任何损耗并且会释放全部能量转移，但在现实世界中，电容器总是表现出一些有限量的损耗。尽管市场上有许多高 Q 电容器，但性能可能会因设计和制造质量而有很大差异。

　　这种能量损失越高，电容器内产生的热量就越多，必须消散或冷却。对于低功率应用，这种热量是微不足道的。然而，对于更高功率的应用，这种发热可能很大。如果温度显着升高，可能会损坏附近的组件，在极端情况下，还会损坏电路板上的零件。

　　尽管许多低功率应用不需要考虑电容器的 Q 因子，但在较高频率下能量损失会显着增加，从而导致其他性能问题，即使在低功率电路中也是如此。降低的接收器灵敏度和链路预算有时可能与更高损耗的电容器相关。

　　出于这个原因，大功率射频应用通常需要高 Q 电容器，其特点是具有超低等效串联电阻 （ESR）。除了最大限度地减少能量损失外，高 Q 电容器还降低了由 ESR 引起的热噪声，以帮助维持所需的信噪比。

　　您的表现可能会有所不同

　　尽管它在射频电子产品中发挥着关键作用，但并非所有的高 Q 电容器都是一样的。事实证明，高 Q 电容器的性能实际上是相对的，在设计、制造、质量控制甚至性能测试类型的基础上变化很大。进一步搅浑水的是，制造商使用许多术语来指代他们的高 Q 电容器，包括“高 Q 值”、“超高 Q 值”、“低损耗”和“射频电容器”。

　　“在许多方面，‘高 Q’ 是一个相对术语，”生产各种多层陶瓷电容器 （MLCC） 的公司 Johanson Technology 的 Scott Horton 说。“似乎每个 ［电容器］ 制造商都有高 Q 产品，但电路中部件的性能可能大不相同。”

　　为了区分选择，大多数 MLCC 电容器在线发布 ESR 性能值。然而，Horton 表示，应该对电容器制造商的性能声明抱有怀疑态度。

　　ESR 测试在实验室环境中进行，通常通过以下两种方法之一得出：使用矢量网络分析仪 （VNA） 或谐振线。然而，这些数据的准确性受到这些系统的设置和校准的限制。在网络分析仪上测量电容器 Q 时，配置和校准对于确保收集到有意义的数据至关重要。并非所有对 VNA 的测量都同样有效；事实上，校准不佳的 VNA 会产生非常不准确的结果。

　　测试电容器 Q 值的更可靠方法是成熟的“谐振线”系统；几十年来，Boonton 34A 谐振线一直是业界的事实标准。

　　Johanson Technology 等公司在线发布来自 Boonton 34A 谐振线的 ESR 性能数据。由于这种方法取决于信号发生器的频率精度和非常稳定的谐振线路，因此可以以可随时间重复的极高精度进行测量。

　　“我无法评论一些电容器制造商最终如何得出他们发布的值，但是当我将电容器放在符合 mil 标准的谐振线路上，并并排测试这些部件时A/B 比较测试，我们看到与他们公布的数据存在显着差异。我会相信这些相对的结果，”霍顿说。

　　一致的制造，层数

　　影响高 Q 电容器 ESR 的另一个方面是制造过程的质量和一致性。

　　根据定义，MLCC 电容器由特殊配方的陶瓷介电材料叠层组成，其中散布着金属电极系统。然后将层状结构在高温下烧制以产生烧结且体积有效的电容装置。导电终端屏障系统集成在芯片的暴露端以完成连接。

　　在 MLCC 中，电容主要由三个因素决定：陶瓷材料的 k、介电层的厚度、重叠面积和电极数量。因此，具有给定介电常数的电容器可以具有更多的层和更宽的电极间距，或者更少的层和更近的间距以实现相同的电容。

　　显着改变 MLC 电容器的层数会显着改变性能特征。因此，领先的电容器供应商严格控制每个部件的层数。不幸的是，这在行业中并不是一成不变的，一些供应商提供的产品具有相同的部件号，但层数可变。简而言之，相同的零件编号可能具有显着不同的设计，这可能导致电容器中出现不希望的阻抗变化。这些差异因供应商而异，甚至可以通过单一来源看到。

　　“如果 MLCC 制造商没有严格控制层数，他们可能会在一批中提供 10 层部件，然后在随后的批次中交付 17 层部件，”Horton 解释道。这两个部分在高频下的表现不同。

　　当原始设备制造商通过从多家工厂购买的经销商进行采购时，性能变化的另一个原因会发生。在这种场景下，不同的工厂有不同的设计，具有不同的高频性能。因此，这些产品来自不同的制造商，这些制造商会在高频性能上产生显着差异。这也可能导致零件不一致的非常真实的情况，从而导致系统性能变化。

　　串联谐振频率 （SRF） 是受不同层数影响的关键性能指标；这种变化会对使用这些电容器的任何 LC RF 滤波器的性能产生负面影响。例如，带通滤波器经常使用电容器的谐振频率来“塑造”其性能。

　　换句话说，当层数变化时，过滤器可能无法按设计运行，并允许辐射发射超过成品中的 FCC 或 ETSI 要求。电容器性能的批次间变化可能导致代价高昂的产品召回。

　　“如果串联谐振频率发生变化，您的滤波器可能不再符合 FCC 排放要求，”Horton 说。“因此，通过严格控制层数，制造商有助于确保 LC 过滤器性能在批次之间、每天、每月、每年都保持一致。”

　　高损耗电容器也会影响电池寿命等方面。对于使用射频放大器的系统，由电容器吸收或耗散功率是低效的。然后，工程师必须使用放大器来弥补低 Q 电容器造成的损失，这会导致手持设备的电池消耗更快。高 Q 电容器还可以通过减少天线和收发器之间的损耗来提高接收器灵敏度。

　　电容器设计、构造的差异

　　高 Q 电容器在设计上与标准电容器不同。为了实现最低损耗，领先公司使用损耗最低的电介质、油墨和电极选项。

　　例如，大多数低成本商品电容器使用镍电极；然而，镍是一种不良导体，以在射频和微波频率下的高损耗而闻名。银和铜电极性能优越，性能优于镍，可用于大多数高 Q 值应用。这种类型的电极具有额外的优点，即它不会像镍那样产生磁场。这个因素对于 MRI 接收器线圈等涉及强磁场的应用很重要。

　　对于最高功率的射频应用，许多领先制造商提供纯钯电极。然而，在较高频率下，与钯相比，银是一种优良的导体。出于这个原因，Johanson Technology 在其超高 Q（最低 ESR 损耗）产品 E 系列多层射频电容器中，在其高功率标准 1111、2525 和 3838 尺寸电容器中加入了银电极。

　　垂直方向的电容器

　　即使是像卷带中电容器的方向这样的小细节也会对电路的性能产生直接影响。传统上，当安装在卷带和卷盘中时，​​高 Q 电容器主要采用水平电极配置。一些制造商提供水平和垂直电极方向配置的 MLCC 电容器。

　　然而，以垂直配置安装电容器也是有效扩展电容器可用频率范围的行业“技巧”。

　　除了 SRF（基于给定的物理尺寸/结构和给定的电容值）之外，电容器还表现出并联谐振频率 （PRF）。根据经验，PRF 大约是 SRF 的两倍。在 PRF 处，传输阻抗相对较高，电容器在该频率附近的损耗非常高。

　　通过将电容器安装在垂直位置，可以消除奇数 PRF（即，第 1、第 3、第 5 等）。这种布置将第一个 PRF 的频率显着提高，从而允许电容器在显着更高的频率下使用。

　　高Q相对论

　　如果从对高 Q 电容器的讨论中得到一个教训，那就是选择理想的 MLC 电容器需要的不仅仅是电压、电容值和容差。这也可以解释为什么一个供应商的电容值可能与关键匹配电路中的另一个供应商不直接对应。制造的设计和质量/一致性与验证性能的测试类型一样重要。

　　“不要假设因为电容器被标记为‘高Q’，它就会提供所需的性能，”Horton 总结道。“这些电容器在军事、医疗和工业电子设备的射频传输和接收中发挥着关键作用，因此它们必须按预期运行，并进行优化以最大限度地减少能量损失和批次间的差异。否则，这些电子设备可能无法在现场发挥预期的作用。”

　　审核编辑：郭婷