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你真的了解无源元件吗?

2019-12-25 Bill Schweber 阅读:
通常,BOM上的无源元件数量是IC数量的五倍或更多倍。虽然它们中有许多是无关紧要的,但是又有许多非常重要。此外,随着工作频率常常达到GHz和数GHz范围,它们的第二级和第三级特性以及一致性变得更加重要。
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最近,我读了一篇技术文章,让我感到害怕——这种事情很少发生。这与草率或匆忙设计无关,甚至与软件bug无关——这样的bug直到为时已晚,发生了非常糟糕的事情,才会显现。取而代之的是关于“寻常、无聊”的多层贴片电容器(MLCC)——电容器中一种广泛使用的子类别——以及在指定它们时可能出现的一些问题,以及与获得性能一致性有关的问题。8YeEETC-电子工程专辑

我们知道无源元件在大多数设计中都没有引起太多关注,但事实是,在模拟设计和物料清单(BOM)的模拟部分当中,包含很多这类元件:电阻器、电容器、电感器、LED和光电传感器,而变压器则是当中最常见的元件。通常,BOM上的无源元件数量是IC数量的五倍或更多倍。虽然它们中有许多是无关紧要的,例如未端接输出上标称的10kΩ上拉电阻,但是无论是显而易见还是非常少见,它们中有许多又非常重要。此外,随着工作频率常常达到GHz和数GHz范围,它们的第二级和第三级特性以及一致性变得更加重要。8YeEETC-电子工程专辑

Medical Design Briefs网站上发表的文章“The ‘Relativity’ of High Q Capacitors”部分谈及了无量纲品质因数Q。这篇文章着眼于对该参数值有影响的电容器设计和生产问题——该参数通常被认为是个第二级因素(电容、公差和工作电压通常被认为是第一级因素)。正如该文第一段所述那样:“对于许多大功率射频应用,嵌入式电容器的‘Q因数’是电路设计中最重要的特性之一。”8YeEETC-电子工程专辑

其中包括诸如蜂窝/电信设备、MRI线圈、等离子发生器、激光器,以及其他医疗、军事和工业电子产品之类的产品。”它讨论了供应商在高频下表征Q值时的不同合理方法(不是简单的设置或测试),在测试设置中多小的误差会引起定量结果中较大的误差,以及所主张价值的合理变化。其他第二级参数包括串联谐振频率(SRF)和并联谐振频率(PRF),电容器设计和测量的安装方式是水平还是垂直(图1和图2),等等。8YeEETC-电子工程专辑

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图1:电极与基板表面平行时MLCC的插入损耗。(图片来源:Johanson Technology)8YeEETC-电子工程专辑

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图2:相同电容器容值条件下,电极与基板表面垂直安装时的插入损耗。(图片来源:Johanson Technology)8YeEETC-电子工程专辑

在我充分掌握了MLCC的知识后,当此文谈及多少细微的批次间变化(包括相同型号器件的层数,甚至来自单个供应商)会改变这些所谓“相同”的电容器的“值”时,情况变得更加让我恐惧。而如果是从其他供应商处购买零件的话,情况则会更糟。因此,即使我们努力设计并指定最大容许的Q和ESR,实际得到的结果也可能大不相同。也许更糟,批次之间的差异可能很大,这会对生产、测试和性能一致性产生巨大影响。8YeEETC-电子工程专辑

出现这种问题的不仅仅是电容器。我一直认为具有讽刺意味的是——或是现实世界给了我一次令人蒙羞的教训——理想变压器最初的特征不过是一种简单的、众所周知的电压与匝数的关系(Vprimary/Vsecondary = Turnsprimary/Turnssecondary),但是情况很快就变得复杂了。一旦开始考虑损耗、自热、边缘效应、温度系数以及对导线电阻、磁性能和绕组布置的影响等等问题时,设计就变得非常棘手。再加上制造变化和公差等现实问题的话,就会得出简单的想法:变压器是一个非常复杂的元件,并且随着频率提高到MHz和更高的范围,它就变得更具挑战性。8YeEETC-电子工程专辑

当然,如果使用通用的多维建模和仿真工具,同时考虑电气、机械、材料和散热等关联因素(例如COMSOL),或者使用针对某种元件优化过的单一用途利基工具,那么就可大大减轻元件设计和设计导入(design-in)问题。尽管如此,尤其是在更大的功率水平下,很多变压器的设计仍然依赖于直觉、经验和动手知识,以及每个供应商的“秘密配方”。8YeEETC-电子工程专辑

好消息是,从高度分析性的学术论文到供应商和工程师的实用见解,再到供应商甚至是经验丰富的业余爱好者的动手“操作方法”资料,我们可以找到许多良好的无源元件信息源。8YeEETC-电子工程专辑

您是否曾因这些第二级和第三级参数、它们的规格或它们值的变化和改变等相关问题而感到意外(或被“缠住”)呢? 8YeEETC-电子工程专辑

(原文刊登于ASPENCORE旗下Planet Analog网站,参考链接:Do You Really Know Your Passives?8YeEETC-电子工程专辑

本文为《电子技术设计》2019年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里8YeEETC-电子工程专辑

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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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