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[导读]MLCC——多层片式陶瓷电容器,简称贴片电容,会引起噪声啸叫问题……笔记本电脑电源电路的啸叫示例部位随着人们对电子设备的需求趋于平静,在笔记本电脑、手机、数码相机(DSC)等各种应用设备的电源电路方面,以前未引起重视的由电容器振动所产生的“啸叫”问题已成为设计方面的课题。声音源于...

MLCC——多层片式陶瓷电容器,简称贴片电容,会引起噪声啸叫问题……


笔记本电脑电源电路的啸叫示例部位
随着人们对电子设备的需求趋于平静,在笔记本电脑、手机、数码相机 (DSC) 等各种应用设备的电源电路方面,以前未引起重视的由电容器振动所产生的“啸叫”问题已成为设计方面的课题。

声音源于物体振动,振动频率为20Hz~20 kHz的声波能被人耳识别。
MLCC发出啸叫声音,即是说,MLCC在电压作用下发生幅度较大的振动(微观的较大,小于1nm)。
MLCC为什么会振动?
我们要先了解一种自然现象——电致伸缩。
在外电场作用下,所有的物质都会产生伸缩形变——电致伸缩。
对于某些高介电常数的铁电材料,电致伸缩效应剧烈,称为——压电效应
压电效应包括正压电效应和逆压电效应
 
小结:啸叫原理   
  • 片状独石电容器由于强介电常数的陶瓷的压电特性,在施加交流电压的情况下,像如图2所示进行收缩。
  • 结果如图3所示,电路板将朝平面方向振动。(芯片及电路板的振幅仅为1pm~1nm左右)
  • 该电路板的振幅周期在达到人们能够听到的频率带 (20Hz~20kHz) 时,声音可通过人耳识别。

正压电效应
对具有压电特性的介质材料施加机械压力,介质晶体会发生结构重组排布,材料表面会感应出电荷,产生电位差。

逆压电效应
对具有压电特性的介质材料施加电压,则产生机械应力,发生形变。

压电效应的学术定义:
在没有对称中心的晶体上施加压力、张力和切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端面将出现正、负电荷,这一现象称为正压电效应。反之在晶体上施加电场而引起极化,则产生与电场强度成比例的变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。

陶瓷介质是MLCC主要组成部分,电压作用下,电致伸缩不可避免。如电致伸缩强烈表现为压电效应,则会产生振动。

所有MLCC都会啸叫吗?
MLCC设计制造陶瓷介质材料主要有顺电介质和铁电介质两大类。

顺电介质又称I类介质,主要有SrZrO3、MgTiO3等。
顺电介质电致伸缩形变很小,在工作电压下,不足以产生噪声。
所以,顺电介质(I类介质)材料做的MLCC,如NPO(COG)等温度稳定性产品,就不会产生噪声啸叫。

铁电介质又称II类介质,主要BaTiO3、BaSrTiO3等。
铁电介质具有强烈的电致伸缩特性—压电效应。
因此,铁电介质(II类介质)做的MLCC,如X7R/X5R特性产品,在较大的交流电场强度作用下会产生明显的噪声啸叫。

如上所示,X7R-MLCC两端加上大幅度变化电压后,BaTiO3陶瓷产生逆压电效应,MLCC形变振动并传递到PCB板上发生共振。
当电压信号的频率在20Hz~20kHz人耳听觉范围内,则能听到电容在啸叫。

哪些场合MLCC啸叫明显?
较大的交变电压,频率在20Hz到20kHz之间,使用X7R/X5R类中高容量MLCC,会产生明显的啸叫,如开关电源、高频电源等场合。

啸叫的危害
许多移动电子设备靠近人耳,如:笔记本电脑、平板电脑、智能手机等,如电子电路中有可听噪声会影响使用感受。
剧烈的啸叫除了令人生厌外,还可能存在着可靠性设计不足的隐患。
剧烈的啸叫源于剧烈的振动,振动幅度由压电效应程度决定。
压电效应与电场强度成正比,外加电压不变,介质越薄,压电效应越强,啸叫声音越大。

额定电压由MLCC的材质和介质厚度决定的,剧烈的啸叫表示对当前工作电压所选用的MLCC介质厚度过薄,应当考虑选用介质更厚,额定电压更高的MLCC。

对铁电陶瓷,在交变电场作用下,还存在铁电畴交替转向内摩擦方面的问题,交变场强大,内摩擦严重,失效机率上升。这可在啸叫声音的大小上反映出来的。
解决啸叫的对策
降低MLCC电容器产生的可听噪声的方法有很多,所有解决方案都会增加成本。
1、改变电容器类型是最直接的方法,用顺电陶瓷电容、钽电容和薄膜电容等不具有压电效应的电容器替代。但需要考虑体积空间、可靠性和成本等问题。
2、调整电路,将加在MLCC大的交变电压消除或者将其频率移出人耳听感频段 (人耳最敏感音频为1KHz~3KHz)。
3、注意PCB布局、PCB板规格,帮助降低啸叫水平。
4、选用无噪声或低噪声的MLCC。

无噪/低噪声MLCC的设计
目前针对MLCC的啸叫现象,设计解决措施有三种。

(1)加厚底部保护层
由于保护层厚度部分是没有内电极的,这部分的BaTiO3陶瓷不会发生形变,当两端的焊锡高度不超过底保护层厚度,这时产生的形变对PCB影响要小,有效地降低噪声。

(2)附加金属支架结构
结构图如下,它采用金属支架把MLCC芯片架空。

MLCC与PCB板隔空,把逆压电效应产生形变通过金属支架弹性缓冲,减少对PCB板的作用,有效的降低噪声。

(3)使用压电效应弱的介质材料设计制造
通过对钛酸钡(BaTiO3)进一步掺杂牺牲一定的介电常数和温度特性,得到压电效应大大减弱的介质材料,用其制造的MLCC可有效的降低噪声。
各大MLCC厂家,都有相应低噪材质的MLCC产品系列。

END
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