MLCC电容器发生啸叫如何抑制?

笔记本电脑或手机上的某些规格 MLCC 有时候可能会发出“吱吱”声音，我们称之为异响或啸叫。出现啸叫是因为贴片陶瓷电容器中使用的强介电陶瓷材料发生了“电致伸缩”现象。电致伸缩效应是指电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而产生机精变形，变形关小与电场平方成正比，与电场方向无关。因此，向MLCC 施加纹波电乐，交流电压时，电容器自身就会伸缩(如图1 所示)。这种伸缩传递到PCB 上就会导致 PCB 振动。虽然动的振幅只有 pm~nm，但此时的振动频率如果是在人可听频率范围(20Hz~20kHz之内的话，人们就会听到声音。也就是说PCB充当了扬声器功能。

随着笔记本电脑、手机等设备的普及，由电容器振动所产生的“啸叫”问题越来越多的受到人们的关注，如何优化各电源架构的电容啸叫，让电容闭嘴，是一个有趣的问题。

MLCC电容器发生啸叫主要是由陶瓷的压电效应引起的，MLCC电容器由于其特殊的结构，当施加在两端的电场变换时，可以引起成比例的机械应力的变化，此为逆压电效应，当振动频率落入人耳听觉范围内时，就会产生噪音，即所谓的“啸叫”。正压电效应相反，是受到力的作用，产生电场的过程。

无论是笔记本电脑还是手机，对电源的要求越来越高，通常在电源网络上并联大量的MLCC电容，如BUCK、BOOST架构的电源，当设计异常或者负载工作模式异常时，就很容易产生“啸叫”。

在笔记本电脑中，当电脑处于休眠状态，或者启动摄像头时，容易产生啸叫。

在手机中，最典型的一个案例是GSM所用的PA电源，此电源线上的特点是功率波动大、波动频率为典型的217Hz，落入人耳听觉范围内(20Hz~20Khz)，当GSM通话时，用专用听诊器听此电源线上的电容，很容易听到“滋滋”啸叫音。

如何抑制?

1.BUCK电源通常有PWM和PFM两种工作模式。PWM工作模式时纹波小，用在负载功耗比较高的条件下，为了避免BUCK在PWM工作模式时，给电容充电的开关频率进入人耳范围内引起啸叫，有的电源的开关频率会刻意避开20hz~20Khz这个开关频率。

2.当电源处于轻载模式时，会间歇性的工作，间歇性输出几个脉冲，这个间歇性脉冲的频率，也有可能被人耳听到。所以也要从电源或者负载的角度，来优化PFM工作时间歇性脉冲的工作频率，避免啸叫。

3.另一个是隐含的一个状态，在项目初期，系统往往不稳定，负载在正常和低功耗模式之间反复切换，电源也容易在PWM和PFM两个模式之间反复切换，这个切换的时隙，这也可能引起啸叫，需要软件优化系统的稳定性，避免负载工作模式异常切换来避免啸叫。

4.BUCK电感的饱和电流选取不合适时，有可能使得输出电流增加，会误触发电源进入过流保护，电源在正常工作模式和过流保护模式之间反复切换，也有一定可能性引起啸叫，电感选取一定要合适。

5.开关电源本身纹波就大，多相开关电源具有纹波小、电流大的优点，通过交错相位，可以有效减小电源的纹波进而抑制啸叫。

6.抑制啸叫，除了上述软件、参数、架构的修改之外，一个典型的方案是使用抗啸叫电容，比如村田KRM系列和ZRB系列。

其特殊的结构可降低电容器的啸叫现象，可吸收由热量和机械冲击引起的应力，实现高可靠性。相比于Ta电容，抗啸叫MLCC电压变动⊿V比初期小7～22%。

7.在布局的时候，也可以优化布局，电容彼此之间交错排列，抑制振动。

8.甚至有的人提出了在电容旁边挖槽，缓解啸叫的方案。

MLCC是多层片式陶瓷电容器，简称贴片电容，会引起噪声啸叫问题。

声音源于物体振动，振动频率为20Hz~20kHz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。

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。