事實(shí)上，每種類型的電子硬件都包含電容器，電容器廣泛用于旁路、耦合、濾波和隧道電子電路等功能。然而，為了有用，必須表征它們的電容值、額定電壓、溫度系數(shù)和漏電阻。盡管電容器制造商執(zhí)行這些測試，但許多將電容器內(nèi)置到其產(chǎn)品中的電子制造商也執(zhí)行其中一些測試作為質(zhì)量檢查。本文介紹了可以簡化電容器測試過程的技巧和技術(shù)。

事實(shí)上，每種類型的電子硬件都包含電容器，電容器廣泛用于旁路、耦合、濾波和隧道電子電路等功能。然而，為了有用，必須表征它們的電容值、額定電壓、溫度系數(shù)和漏電阻。盡管電容器制造商執(zhí)行這些測試，但許多將電容器內(nèi)置到其產(chǎn)品中的電子制造商也執(zhí)行其中一些測試作為質(zhì)量檢查。本文介紹了可以簡化電容器測試過程的技巧和技術(shù)。

電容器基礎(chǔ)知識(shí)

電容器有點(diǎn)像電池，因?yàn)樗鼈兌即鎯?chǔ)電能。在電池內(nèi)部，化學(xué)反應(yīng)在一個(gè)端子上產(chǎn)生電子，并在另一端子上存儲(chǔ)電子。然而，電容器比電池簡單得多，因?yàn)樗荒墚a(chǎn)生新的電子——它只能存儲(chǔ)它們。在電容器內(nèi)部，端子連接到兩個(gè)金屬板，金屬板由稱為電介質(zhì)的非導(dǎo)電物質(zhì)隔開。

電容器的存儲(chǔ)電勢或電容以法拉為單位測量。一法拉 (1F) 電容器可在一伏 (1V) 下存儲(chǔ)一庫侖 (1C) 電荷。一個(gè)庫侖是 6.25×1018 個(gè)電子。一安培代表每秒 1C 電子的電子流速率，因此 1F 電容器可以在 1V 電壓下容納一安培秒 (1A/s) 的電子。

靜電計(jì)的庫侖功能可與階躍電壓源一起使用，測量范圍從 <10pF 到數(shù)百納法的電容水平。未知電容與靜電計(jì)輸入和階躍電壓源串聯(lián)。

電容的計(jì)算基于以下方程：

圖 1 說明了使用帶有內(nèi)部電壓源的靜電計(jì)測量電容的基本配置。儀器在充電（庫侖）模式下使用，其電壓源提供階躍電壓。在電壓源打開之前，應(yīng)禁用儀表的調(diào)零功能，并通過使用 REL 功能將顯示調(diào)零來抑制電荷讀數(shù)（調(diào)零的目的是保護(hù)輸入 FET 免受過載，并將儀器調(diào)零） . 當(dāng)啟用調(diào)零檢查時(shí)，靜電計(jì)的輸入是大約 10 兆歐到 100 兆歐的電阻，具體取決于所使用的靜電計(jì)。當(dāng)輸入電路上的條件發(fā)生變化（例如更改功能）時(shí)，應(yīng)啟用調(diào)零檢查REL 功能從實(shí)際讀數(shù)中減去參考值。當(dāng) REL 啟用時(shí)，儀器使用當(dāng)前讀數(shù)作為相對(duì)值。后續(xù)讀數(shù)將是實(shí)際輸入值與相對(duì)值之間的差值。）

接下來，應(yīng)打開電壓源并立即記錄電荷讀數(shù)。然后可以根據(jù)以下方程計(jì)算電容：

記錄讀數(shù)后，將電壓源重置為 0V 以消散設(shè)備中的電荷。在操作設(shè)備之前，請(qǐng)確認(rèn)電容上的電壓已放電至安全水平。未知電容應(yīng)位于屏蔽測試夾具中。屏蔽層連接至靜電計(jì)的 LO 輸入端子。 HI 輸入端應(yīng)連接至未知電容的阻抗端。如果充電速率太大，則由于輸入級(jí)暫時(shí)飽和，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。要限制靜電計(jì)輸入端的電荷傳輸速率，請(qǐng)?jiān)陔妷涸春碗娙葜g串聯(lián)一個(gè)電阻。對(duì)于 >1nF 的電容值尤其如此。典型的串聯(lián)電阻為 10kΩ 至 1MΩ。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱吉時(shí)利應(yīng)用筆記 #315 (https://www.keithley.com/data?asset=6076)。

漏電和絕緣電阻

漏電是電容器不太理想的特性之一，用絕緣電阻 (IR) 來表示。對(duì)于給定的介電材料，有效并聯(lián)電阻與電容成反比。這是因?yàn)殡娮枧c電介質(zhì)的厚度成正比，與電容面積成反比。電容與面積成正比，與間距成反比。因此，量化電容器漏電的常用單位是其電容與其漏電阻的乘積，通常以兆歐-微法（MΩ·μF）表示。通過向電容器施加固定電壓并測試和測量產(chǎn)生的電流來測量電容器泄漏。漏電流將隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，因此，在測量電流之前，通常需要施加電壓一段已知的時(shí)間（保溫時(shí)間）。

理論上，電容器的電介質(zhì)可以由任何非導(dǎo)電物質(zhì)制成。然而，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)使用適合電容器功能的特定材料。聚苯乙烯、聚碳酸酯或 Teflon? 等聚合物電介質(zhì)的絕緣電阻范圍為 104MΩ·μF 至 108MΩ·μF，具體取決于所使用的具體材料及其純度。例如，絕緣電阻高于1017Ω的1000pF聚四氟乙烯帽指定為>108MΩ·μF。 X7R或NPO等陶瓷的絕緣電阻可以在103MΩ·μF至106MΩ·μF之間。鉭或鋁等電解電容器的漏電阻要低得多，通常范圍為 1MΩ·μF 至 100MΩ·μF。例如，規(guī)定為50MΩ·μF的4.7μF鋁帽，保證其絕緣電阻至少為10.6MΩ。

測試電容器漏電

圖 2 顯示了用于測試電容器泄漏的一般電路。在此，在保溫期間將電壓施加在電容器 (CX) 上，然后電流表在該期間過后測量電流。與電容器串聯(lián)的電阻器?有兩個(gè)重要功能。首先，它限制電流，以防電容器短路。其次，電容器的電抗隨著頻率的增加而減小，這將增加反饋電流表的增益。電阻器將增益的增加限制在有限值。一個(gè)合理的值是產(chǎn)生 0.5 到 2 秒的 RC 產(chǎn)品的值。開關(guān) (S) 雖然不是嚴(yán)格必需的，但包含在電路中以允許控制施加到電容器的電壓。

圖2

串聯(lián)電阻還會(huì)將約翰遜噪聲（任何電阻器產(chǎn)生的熱噪聲）添加到測量中。在室溫下，該電流大約為 6.5×10^10 安培，頁碼。典型 3Hz 帶寬下 1TΩ 反饋電阻器中的電流噪聲約為 8×10^-16A。當(dāng)在10V下測量1016Ω的絕緣電阻時(shí)，噪聲電流將是被測電流的80%。

通過在電路中加入正向偏置二極管 (D) 可以實(shí)現(xiàn)更高的測量精度，如圖 3 所示。二極管的作用類似于可變電阻，當(dāng)電容器的充電電流較高時(shí)，該二極管的值較低，然后值隨著電流隨著時(shí)間的推移而減小。這允許使用的串聯(lián)電阻小得多，因?yàn)樗恍枰乐闺妷涸催^載以及在電容器短路時(shí)損壞二極管。使用的二極管應(yīng)該是小信號(hào)二極管，例如1N914或1N3595，但必須安裝在不透光的外殼中，以消除光電和靜電干擾。對(duì)于雙極性測試，應(yīng)背靠背并聯(lián)使用兩個(gè)二極管。

圖3

選擇測試儀器

測量電容器泄漏時(shí)選擇所用儀器應(yīng)考慮多種因素：

雖然當(dāng)然可以使用單獨(dú)的電壓源來設(shè)置系統(tǒng)，但集成的系統(tǒng)可以顯著簡化配置和編程過程，因此請(qǐng)尋找具有內(nèi)置可變電壓源的靜電計(jì)或皮安計(jì)。連續(xù)可變電壓源可以輕松計(jì)算電壓系數(shù)。為了對(duì)高額定電壓電容器進(jìn)行高電阻測量，使用具有內(nèi)置電流限制的 1000V 電源。對(duì)于給定的電容器，在電容器額定電壓范圍內(nèi)施加的電壓越大，將產(chǎn)生越大的漏電流。在相同的固有本底噪聲下測量更大的電流會(huì)產(chǎn)生更大的信噪比，從而獲得更準(zhǔn)確的讀數(shù)。

溫度和濕度對(duì)高電阻測量有顯著影響，因此監(jiān)測、調(diào)節(jié)和記錄這些條件對(duì)于確保測量精度至關(guān)重要。一些較新的靜電計(jì)，例如 Keithley 的 6517B 型靜電計(jì)/源（圖 4），能夠同時(shí)監(jiān)測溫度和濕度。這提供了條件記錄，并且可以更容易地確定溫度系數(shù)。讀數(shù)的自動(dòng)時(shí)間戳為時(shí)間分辨測量提供了進(jìn)一步的記錄。

將開關(guān)硬件合并到測試設(shè)置中可以實(shí)現(xiàn)測試過程的自動(dòng)化。對(duì)于在具有臺(tái)式測試裝置的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行小批量測試，請(qǐng)考慮使用可提供插入式切換卡便利性的靜電計(jì)。要測試大批量的電容器，請(qǐng)尋找能夠輕松與具有更高通道數(shù)的開關(guān)系統(tǒng)集成的儀器。

圖4

測試配置

為統(tǒng)計(jì)分析提供足夠的有用數(shù)據(jù)需要快速測試大量電容器。顯然，手動(dòng)執(zhí)行這些測試是不切實(shí)際的，因此需要自動(dòng)化測試系統(tǒng)。圖 5 展示了這樣一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用內(nèi)置電壓源的靜電計(jì)以及裝有低電流掃描卡和 C 型開關(guān)卡的開關(guān)主機(jī)。在此測試設(shè)置中，單個(gè)儀器提供電壓源和低電流測量功能。計(jì)算機(jī)控制儀器自動(dòng)執(zhí)行測試。

圖5

采用一組開關(guān)依次對(duì)每個(gè)電容器施加測試電壓；在適當(dāng)?shù)慕輹r(shí)間后，第二組開關(guān)將每個(gè)電容器連接到靜電計(jì)的皮安計(jì)輸入。測試電容器后，應(yīng)將電壓源設(shè)置為零，然后允許一段時(shí)間，以便電容器在從測試夾具中取出之前可以放電。

請(qǐng)注意，在圖 5 中，電容器具有通過繼電器常閉觸點(diǎn)的放電路徑。為了防止電擊，測試連接的配置必須確保用戶無法接觸導(dǎo)體、連接或 DUT。安全安裝需要適當(dāng)?shù)钠帘?、屏障和接地，以防止與導(dǎo)體接觸。

如果需要，更復(fù)雜的測試系統(tǒng)可以將泄漏測量與電容測量、介電吸收和其他測試結(jié)合起來。圖 6 顯示了使用 LCZ 橋和帶有電壓源的皮安表的此類測試系統(tǒng)的簡化原理圖。

圖6

確保測試安全

許多電氣測試系統(tǒng)或儀器能夠測量或獲取危險(xiǎn)電壓和功率水平。在單一故障條件下（例如，編程錯(cuò)誤或儀器故障），即使系統(tǒng)指示不存在危險(xiǎn)，也可以輸出危險(xiǎn)級(jí)別。這些高電壓和功率水平使得必須始終保護(hù)操作員免受任何這些危險(xiǎn)。測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員、集成商和安裝人員有責(zé)任確保操作員和維護(hù)人員的保護(hù)到位且有效。保護(hù)方法包括：

設(shè)計(jì)測試夾具以防止操作員接觸任何危險(xiǎn)電路。

確保被測設(shè)備完全封閉，以保護(hù)操作員免受飛濺碎片的傷害。

對(duì)操作員可能觸及的所有電氣連接進(jìn)行雙重絕緣。即使一層絕緣層失效，雙重絕緣也能確保操作員仍然受到保護(hù)。

當(dāng)測試夾具蓋打開時(shí)，使用高可靠性、故障安全聯(lián)鎖開關(guān)斷開電源。

如果可能，請(qǐng)使用自動(dòng)處理程序，這樣操作員就不需要進(jìn)入測試夾具的內(nèi)部。

為系統(tǒng)的所有用戶提供適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，使他們了解所有潛在危險(xiǎn)并知道如何保護(hù)自己免受傷害。