减少 MLCC 的压电效应和可闻噪声

随着 MLCC(或陶瓷电容器)因其低成本和薄型而在电子电路中日益普及，随着越来越多的电子设备趋向于手持式，其固有的压电效应表现出的可听噪声可能成为一个问题。

目标和背景

MLCC(多层陶瓷电容器)与常用的钽电解电容器相比具有许多优势，其中包括：

· 非常低的等效串联电阻 (ESR)，

· 非常低的等效串联电感(ESL)，小尺寸，

· 其电介质老化率低，可靠性高。

然而，与所有铁电电介质一样，它受到压电效应的影响：某些材料通过机械变形在表面产生电势或电场。如果电介质现在受到变化的电场强度，且其工作频率位于人耳可听频率范围 (20 Hz – 20 kHz) 内，则电容器会产生噪声，即所谓的可听噪声。

在大多数情况下，单独的 MLCC 不足以产生有问题或破坏性的声压级 (SPL)。但焊接在 PCB 板上的 MLCC 会生成一个弹簧质量系统，该系统会根据频率增加或抑制振荡。本文研究并讨论了降低陶瓷电容器可闻噪声的影响、可能的原因和解决方案。

实验环境和设置

使用高灵敏度 Se Electronics 1000A 麦克风获取测量结果，并使用 SpectroFrequencyAnalyzer 2.0 软件进行分析。以下所有数值结果并不旨在提供绝对数据，而是用于相互之间的相对比较，以了解 MLCC 中可闻噪声的不同影响因素。

这种“噪音”的所有原因尚不完全清楚，本文主要揭露事实，但没有试图解释为什么这样的参数会产生这样的动作。在大多数情况下，常识可以解释“噪音”的原因。在其他方面，读者的技能将受到限制。

频率影响

耳朵对声音的反应取决于声音的频率。人耳可以在 2.5 kHz 至 3 kHz 左右达到峰值响应，并且在低频下具有相对较低的响应。换句话说，对于相同的声压级，频率为 3 kHz 的声音在我们耳中会比频率较低(如 50 Hz)的声音听起来更大。本文的其余部分将不考虑频率的影响。

信号特性影响

如果在 MLCC 端子上施加交流电压，电容器将按照信号频率收缩和膨胀，变形幅度取决于多个因素。

基本上，绝对电压越高，电容器膨胀就越重要。因此，随着信号幅度 (lVmax – Vminl) 的增加，电容器的体积变化也将变得更加重要，从而导致更高的 SPL(图 3)。此外，占空比接近 10% 或 90% 的信号产生的“噪声”比占空比为 50% 的信号少得多(低 12 dB)。

最后，具有陡峭上升/下降沿的信号(如方波)将导致电容器更快变形，因此比变化较慢的电压(如正弦波)具有更高的声压级。

元件特性影响

顾名思义，MLCC是由多层制成的，电容器的特性肯定会对产生的噪声产生影响。例如，对于相同的物理尺寸，较低的电容将需要较少的层数，从而产生较小的变形，如下列公式所示：

Δt = n * V * d 33

Δt = 厚度变化(变形)[m]

n = 层数

V = 跨厚度施加的电压 t [V]

d 33 = 厚度(“i=3”方向)变化的压电系数 [m/V]

然而，虽然较低额定值的电容器在给定电压下通常比较高额定值的电容器表现出更高的电容，但后者往往会产生更多噪声。

不同的接触面积(宽度、长度)对产生的噪声几乎没有影响，但对于相同的电容，厚电容器产生的声压级会比较薄电容器产生的声压级更低。可以注意到，电容器越薄，电场越高(因为各层更接近)并且偏置效应越高。例如，1 毫米电容器产生的噪音比 2.5 毫米电容器低 13 分贝。

PCB 板的影响

由于 PCB 板将充当所述弹簧质量系统的谐振器，因此电容器/PCB 板组合在尺寸、放置和布局方面至关重要。远离电路板焊接的电容器(除了端子上的焊接材料之外没有其他触点与电路板接触)不会产生任何可听噪声。

电路板的自谐振频率既难以测量又难以控制，因此可以忽略不计。一般来说，板越厚，变形的可能性就越小，因此产生的声压级就越低。同时，振动电容周围的板面越重要，噪声就越大。最好将电容器放置在 PCB 边缘。测量结果表明，厚度从 2 mm 减少到 1 mm 改善了 5 dB，而从 14 cm 2减少到 5 cm 2改善了 6 dB。

彼此相邻放置的电容器可产生更高的整体声压级(单个电容器与三个并联放置的电容器之间 +14 dB)。相反，当对称放置在 PCB 板的每一侧时，电容器往往会消除彼此的振动。

电子电路中的可闻噪声

由于笔记本电脑、平板电脑、智能手机等电子设备靠近人耳，这种噪声的产生很快就会变得烦人，并被视为一个关键的购买因素。

制造商在间距和成本方面的限制主要是在谈论电容器高度、PCB 板特性或电容器放置时不允许有很大的自由度。然而，可以预先计算出转换器的一个参数是对负载或线路突然变化的负载瞬态响应。由于该参数将对输出电容器上的电压幅度变化产生直接影响，因此 IC 制造商将尝试改善这种瞬态响应，以帮助解决可闻噪声问题。

外部补偿提供了更好的灵活性，但通常需要额外的电阻器和电容器。与任何权衡一样，用户必须决定空间和性能哪个更重要。

MLCC 的替代品

一些无源元件制造商已成功通过调整电介质来开发具有低噪声的 MLCC。它们有助于减少可听噪声，但无法完全抑制它，类似的评论适用于所有应用解决方案，例如修改布局或选择具有不同特性的 MLCC。

由于电容器层的变形是噪声问题的根源，因此钽型电容器优于 MLCC。然而，这些电容器的化学成分 (MnO2) 使其不安全，因为它们很容易着火：这对于大多数应用来说是不可行的。其他类型(例如铝电解电容器)通常无法提供足够好的电气性能而无法广泛使用。

另一种替代方案是所谓的 POSCAP。这些繁重的聚合物/钽电容器在笔记本电脑应用中越来越受欢迎，因为它们的结构使它们无噪声，并且它们的电气性能优于所有其他类型，特别是在谈到偏置效应时。例如，可以使用更少的电容器来获得与并联放置的多个 MLCC 相同的电容。

总结

有多种方法可以减少 MLCC 电容器产生的可听噪声。 PCB 布局、PCB 板规格或电容器选择将有助于降低 SPL 水平，但不会消除它。然而，这可能足以达到所需的水平。