【EDN Taiwan精選】檢測故障電容：揭密電容、ESR、相位角和耗散係數

vMaker編輯部

| 21 2 月, 2025 at 10:27

作者 : Hesam Moshiri，EEWeb特約撰稿

「電容(器)」(capacitor)是電子產品中不可或缺的基本元件，主要用於旁路和去耦。根據電容類型及其應用，它很容易老化、故障或失效。

檢測失效的電容很簡單，有時只需要透過目視檢查即可，但許多情況下則需要使用LCR——電感(L)、電容(C)和電阻(R)測試表來查找故障。本文介紹在維修過程中最常遇到電解、聚酯(MKT)和多層陶瓷電容(MLCC)等類型電容發生的故障情況。

讓我們從四種測試參數加以考慮：直流(DC)電阻、溫度、電容、等效串聯電阻(ESR)、耗散係數(D)和相位角(θ)。

去耦電容與旁路電容

「去耦電容」(decoupling capacitor)和「旁路電容」(bypass capacitor)這兩個名詞經常被互換使用，而且它們的功能重疊，容易導致混淆。實際上，它們的用途類似，但在電路中的應用可能影響術語。

去耦電容：去耦電容主要用於隔離一部份的電路，為交流(AC)訊號提供低阻抗路徑，同時阻斷DC。它通常放置在IC或其他敏感元件附近，以穩定本機電源並減少電流需求波動而引起的雜訊。

旁路電容：旁路電容用於阻隔高頻雜訊到接地，防止其影響其他電路的效能；其位置通常橫跨電源線，以濾除電路產生的高頻雜訊。

因此，去耦電容和旁路電容都有助於降低雜訊和穩定電源，但其所強調的目的或特定情境可能會影響使用哪個詞彙。在實際應用中，您可能會發現人們交替使用這些術語，而且在許多情況下，單個電容可能會在特定電路中同時發揮去耦和旁路的功能。

MLCC故障檢測

多層陶瓷電容有各種不同的形狀和尺寸，但我們在元件中看到的大多是表面黏著元件(SMD) MLCC電容(圖1)。這些類型的電容既可用於去耦，也可用於旁路。

Figure 1: Multilayer Ceramic Capacitors (MLCC).

圖1：多層陶瓷電容(MLCC)。

這些電容器的故障比較容易檢測，因為它們大多會短路接地(主要用於晶片附近電源軌的去耦)或顯示非常低的電阻，因此故障的MLCC會消耗大量電流並產生熱量。根據以往的經驗，有4種簡單的方法可以發現MLCC電容故障：

在二極體模式下使用萬用表測試可疑電容；
用紅外線攝影機(IR成像)尋找高溫點；
松香煙(松香膏)；
冷凍噴霧。

我們從在二極體模式下使用萬用表查找短路開始(圖2)。首先嘗試找出故障的電容，並拆焊一、兩個電容，以測試短路是否消失。如果找不到故障電容，則需要嘗試第二種方法，即使用IR攝影機。通常，您應該在IR攝影機上安裝一個微距鏡頭，對焦至一個較小區域，以檢測微型元件，如MLCC電容。IR攝影機的唯一缺點是價格昂貴，因此可以使用第三和第四種方法。

Figure 2: Testing MLCC capacitors using a Multimeter (Diode mode).

圖2：使用萬用表(二極體模式時)，以便於測試MLCC電容。

第三和第四種方法遵循相同的程序，但化學材料不同。在這兩種方法中，您都應該用松香煙霧或冷凍噴霧覆蓋PCB板(可疑區域)。您應該針對可疑電容器(供電軌)的正極接腳施加低電壓(大多數情況下不高於1.2V)和高電流脈衝，看看哪些電容會融化松香或冰(圖3)。

Figure 3: A layer of Rosin Paste on the components.

圖3：元件上有一層松香膏。

這些方法的缺點是PCB板軌道可能會被大電流損壞或融化，因此您應該小心施加電流的位置和時間。

如果您處理類比電路/射頻(RF)階段，而且認為某些MLCC電容可能是故障來源(由於電容值的偏移)，那麼您應該取得原理圖和元件值，否則可能難以猜測原始電容值實際情況。

電解電容故障檢測

電解電容器是電子裝置故障/異常行為的常見原因，尤其是在電源部份。請依照下列步驟辨識或檢測電解電容器的故障：

目視檢查：查看是否出現爆炸、膨脹隆起的跡象或是化學物質滲漏。在尚未進行任何檢測的情況下，這些電容就是壞的，那就必須更換(圖4)。

Figure 4: A bulgy sign of an electrolytic capacitor, a definite failure case.

圖4：電解電容器有膨脹的跡象，肯定是故障情況。

使用LCR測試表：如果目視檢查沒有發現任何問題，並不表示電容器沒有問題！您需要使用LCR測量儀來測量電容的參數。

根據LCR測試表的類型，您可以設定所需的頻率或將選擇開關置於適當的電容範圍。所測得的電容應保持在+/-20%的容差範圍內，否則，只需更換電容即可(如果電容低於20%)。圖5顯示了這樣的電容。

Figure 5: A 22uF-400V capacitor has lost more than 20% of its capacitance (13uF).

圖5：一個22uF-400V電耗損失了超過20%的電容值(13uF)。

重要提示：測量電容必須使用LCR表，而不是萬用表或類似儀器，因為電容必須以AC方式測量，最好是以較小的DC偏置進行，而不是像大多數萬用表一樣以純DC模式來計算電容的充放電時間。

即使電容值在範圍內，仍然不表示電容沒問題！請設定LCR表來測量ESR。根據經驗，幾乎在所有情況下，ESR值越低，表示電容器越好。ESR取決於電容的頻率、尺寸和製造品質，但是，如果您不想查找電容的資料表，維修經驗和一些參考表格可以為您提示一個良好的ESR值。圖6顯示了這樣一個表格。

圖7顯示了一個22uF-400V的不良電容，其電容值尚可接受，但ESR值卻非常高。圖8也顯示一個100uF-25V電容，其電容值良好，但ESR卻比正常值高出約2-3倍。

Figure 6: A reference table of typical ESR values of electrolytic capacitors.

圖6：電解電容的典型ESR值參考表。

Figure 7: High ESR value, but the capacitance is acceptable (22uF-400V).

圖7：ESR值偏高，但電容值(22uF-400V)尚可接受。

Figure 8: High ESR value, but the capacitance is acceptable (100uF-25V).

圖8：ESR值偏高，但電容值(100uF-25V)仍可接受。

為了找到合適的測量頻率，請設定LCR表以測量電容的相位角。相位角(theta)也是電容健康的指標，應盡可能接近-90度，但任何高於78-80的值都是可以接受的。因此，只需要選擇相位角值接近-90度的頻率即可。100Hz/120Hz是測試等於和高於10uF電解電容的合適頻率。

實際上，ESR測量幾乎涵蓋了所有故障情況，但是，您也可以將耗散係數和相位角視為發現故障電容器的指標。圖9顯示一個10uF-16V電容器，其ESR值在某種程度上是可以接受的(我會因為ESR而更換這個電容器)，但耗散係數也顯示這個電容並不好。圖10顯示10uF-16V新電容的耗散係數。

圖9：ESR不算差，電容也沒問題，但耗散係數(10uF-16V)超出範圍。

Figure 10: Dissipation factor of a new 10uF-16V capacitor.

圖10：新型10uF-16V電容的耗散因數。

重要問題：我可以測試電路中的電解電容嗎？這要視情況而定，但沒有什麼比在電路之外測試電容更可靠的了，因此真空拆焊工具是任何維修人員的必備工具！

維修提示：位於高紋波電壓路徑上的電解電容器，例如整流器之後或交換式電源(SMPS)輸出端，以及靠近熱區域(例如電源晶片旁邊)都較容易故障。請先檢查它們！

重要注意事項：在測試之前，請務必先將電容放電(例如使用功率電阻或傳統燈泡)。LCR表是一種靈敏的工具，適用於小訊號。

聚酯/MKT電容故障檢測

聚酯/MKT電容較不易發生故障。如果目視檢查沒有發現任何線索(如燒焦、爆炸、漏電…等)，則可遵循上述電解電容的相同程序進行操作。圖11顯示一個470nF-275VAC MKT電容，所有參數都沒問題(ESR、相位角、耗散係數等)，但電容值已損失超過50%。我在檢查一台LG冰箱的變頻器電路板時，在其預整流階段(靠近共模扼流圈處)發現了這個問題。