你真的了解无源元件吗？

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。

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。

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。”

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。

图1：电极与基板表面平行时MLCC的插入损耗。（图片来源：Johanson Technology）

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）

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。

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。

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”。

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。

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？ 

（原文刊登于ASPENCORE旗下Planet Analog网站，参考链接：Do You Really Know Your Passives?）

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。