如何降低电力应用中 MLCC 的噪声

与传统聚合物电容器相比，多层陶瓷电容器 (MLCC) 在电力电子设计中很受欢迎，原因有很多：

MLCC 提供：

· 具有相对较高电容的小轮廓。

· 非常低的等效串联电阻 (ESR)。

· 非常低的等效串联电感 (ESL)。

· 较高频率下的阻抗较低。

· 非极化便于安装和制造。

· 与钽和铝电解电容器相比，随着时间的推移具有更高的可靠性。

· 降低单位成本。

然而，MLCC 并不总是静静地坐在董事会上并做好自己的工作。有时他们感到无聊并开始“唱歌”。这是由于陶瓷材料的压电效应，它具有与其他铁电介质相同的特性。当施加在 MLCC 表面上的电势或电场在 20Hz-20kHz 的频率范围内引起变形时，人类可能会听到。这称为 MLCC 声学噪声或歌声。

对声学噪声的主要贡献包括：

· 以可听范围内的频率运行的电势。

· 与较大的外壳尺寸相比，较小的外壳尺寸往往会产生较低的声级。

· 陶瓷介电常数（K）；较高的 K 具有较高的铁电特性。

· 由于较少的变形，较少的陶瓷层产生较低的声级。

图 1：施加电场时 MLCC 和电路板变形

MLCC 本身对人耳应该是安静的。但是，当安装在印刷电路板 (PCB) 上时，声音可能会很大。假设您在开关电源转换器的输入端有一个陶瓷电容器。开关行为会在陶瓷电容器上产生高频电压变化；随着电压的升高和降低，MLCC 会膨胀和收缩。MLCC 的变形会造成 PCB 的振动，从而导致蜂鸣声放大。电势变化越大，变形越大（压电效应），当频率出现在可听范围内时，会产生更大的声音。

某些应用可以使用电解质或钽型电容器，当噪声存在问题时，最好使用通孔型电容器。但对于成本敏感或尺寸受限的应用（如个人电子设备），您无法避免使用薄而小的陶瓷电容器，因此降低噪声的需求立即变得至关重要。

以下是一些可以将噪音最小化或降低到可接受水平的可用解决方案：

· 使用声音更安静的电容器。电容器制造商已经开发出具有低失真介电材料的陶瓷电容器，该材料具有较低的铁电特性和较小的电压变化变形。Murata 制造的一系列电容器位于中介层基板上以降低噪声（图 2）。村田也有一个具有特殊机械配置的系列；它使用金属端子将电容器安装在 PCB 板上，通过吸收机械冲击来实现降噪（图 3）。不幸的是，这种电容器往往更昂贵，这阻碍了终端设备制造商的广泛使用。噪声抑制效果取决于电容器的类型。（图4） 

图2 ：“中介层”陶瓷电容器的机械结构

图3 ：“金属端子”陶瓷电容器的机械结构 

图4 ：各电容器的降噪效果（典型值）

· 通过优化 PCB 布局来降低噪音。噪声的来源是 MLCC 与 PCB 的相互作用。优化 PCB 上的元件布局可能是有效的。使用较厚的 PCB 会使声音频率因重量变化而发生偏移。一些文章还建议将组件放置在 PCB 的边缘以降低声压级。同样，将元件对称放置在 PCB 的顶部和底部也有助于降低噪声水平，因为当电压施加到两个电容器时，两个振动将相互抵消，这是由于振动消除效应（图 5）同时。

图5 ：PCB 两侧用于消除振动的电容器

· 减少电容器上的电压幅度变化。在大多数情况下，终端设备的制造受到成本或尺寸的限制，这使得前两种降低噪声的方法不切实际。然而，决定噪声的另一个主要因素是电容器两端的电压变化有多高或多快。这可以通过适当的系统设计进行优化，通过改善负载瞬态响应或线路瞬态响应。

以线路瞬态响应为例，使用 TI 的 DCAP+™ Vcore 控制器之一 TPS51622 进行了一项实验，通过在以快 (48mV/µs) 和慢 ( 12mV/µs) 使用英特尔稳压器 (VR) 工具的压摆率。向TPS51622发送 I 2 C 命令可将输出电压从 0.5V 更改为 1.5V，输入电压纹波的测量结果如图 5 所示。

图6 ：具有快/慢压摆率的输入陶瓷电容器上的输入电压纹波

快速摆率的电压幅值远高于慢摆率的电压幅值；电容器两端的电压差直接转化为噪声的增加，以分贝为单位。实测数据显示，噪音从约 40 分贝降至约 50 分贝，降至更低、更安静的水平。其他声级和效果见表 1。

表 1：噪声源及其影响

传统陶瓷电容器的广泛使用给电源系统设计带来了噪声问题。然而，有一些解决方案可以从不同的角度解决这个问题：改变 MLCC 本身的电子特性，或尽量减少其与 PCB 的相互作用。这些方法要么将噪声降低到可接受的水平，要么通过使用更昂贵的“抗噪声”电容器从源中消除噪声。