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【干货】MLCC为什么会啸叫?如何解决?

发布时间:2018-08-15 责任编辑:lina

【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。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。

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。
 



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