MLCC電容器發(fā)生嘯叫如何抑制?

筆記本電腦或手機(jī)上的某些規(guī)格 MLCC 有時(shí)候可能會(huì)發(fā)出“吱吱”聲音，我們稱(chēng)之為異響或嘯叫。出現(xiàn)嘯叫是因?yàn)橘N片陶瓷電容器中使用的強(qiáng)介電陶瓷材料發(fā)生了“電致伸縮”現(xiàn)象。電致伸縮效應(yīng)是指電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下，由于感應(yīng)極化作用而產(chǎn)生機(jī)精變形，變形關(guān)小與電場(chǎng)平方成正比，與電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)。因此，向MLCC 施加紋波電樂(lè)，交流電壓時(shí)，電容器自身就會(huì)伸縮(如圖1 所示)。這種伸縮傳遞到PCB 上就會(huì)導(dǎo)致 PCB 振動(dòng)。雖然動(dòng)的振幅只有 pm~nm，但此時(shí)的振動(dòng)頻率如果是在人可聽(tīng)頻率范圍(20Hz~20kHz之內(nèi)的話(huà)，人們就會(huì)聽(tīng)到聲音。也就是說(shuō)PCB充當(dāng)了揚(yáng)聲器功能。

隨著筆記本電腦、手機(jī)等設(shè)備的普及，由電容器振動(dòng)所產(chǎn)生的“嘯叫”問(wèn)題越來(lái)越多的受到人們的關(guān)注，如何優(yōu)化各電源架構(gòu)的電容嘯叫，讓電容閉嘴，是一個(gè)有趣的問(wèn)題。

MLCC電容器發(fā)生嘯叫主要是由陶瓷的壓電效應(yīng)引起的，MLCC電容器由于其特殊的結(jié)構(gòu)，當(dāng)施加在兩端的電場(chǎng)變換時(shí)，可以引起成比例的機(jī)械應(yīng)力的變化，此為逆壓電效應(yīng)，當(dāng)振動(dòng)頻率落入人耳聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生噪音，即所謂的“嘯叫”。正壓電效應(yīng)相反，是受到力的作用，產(chǎn)生電場(chǎng)的過(guò)程。

無(wú)論是筆記本電腦還是手機(jī)，對(duì)電源的要求越來(lái)越高，通常在電源網(wǎng)絡(luò)上并聯(lián)大量的MLCC電容，如BUCK、BOOST架構(gòu)的電源，當(dāng)設(shè)計(jì)異?；蛘哓?fù)載工作模式異常時(shí)，就很容易產(chǎn)生“嘯叫”。

在筆記本電腦中，當(dāng)電腦處于休眠狀態(tài)，或者啟動(dòng)攝像頭時(shí)，容易產(chǎn)生嘯叫。

在手機(jī)中，最典型的一個(gè)案例是GSM所用的PA電源，此電源線(xiàn)上的特點(diǎn)是功率波動(dòng)大、波動(dòng)頻率為典型的217Hz，落入人耳聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)(20Hz~20Khz)，當(dāng)GSM通話(huà)時(shí)，用專(zhuān)用聽(tīng)診器聽(tīng)此電源線(xiàn)上的電容，很容易聽(tīng)到“滋滋”嘯叫音。

如何抑制?

1.BUCK電源通常有PWM和PFM兩種工作模式。PWM工作模式時(shí)紋波小，用在負(fù)載功耗比較高的條件下，為了避免BUCK在PWM工作模式時(shí)，給電容充電的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)入人耳范圍內(nèi)引起嘯叫，有的電源的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)刻意避開(kāi)20hz~20Khz這個(gè)開(kāi)關(guān)頻率。

2.當(dāng)電源處于輕載模式時(shí)，會(huì)間歇性的工作，間歇性輸出幾個(gè)脈沖，這個(gè)間歇性脈沖的頻率，也有可能被人耳聽(tīng)到。所以也要從電源或者負(fù)載的角度，來(lái)優(yōu)化PFM工作時(shí)間歇性脈沖的工作頻率，避免嘯叫。

3.另一個(gè)是隱含的一個(gè)狀態(tài)，在項(xiàng)目初期，系統(tǒng)往往不穩(wěn)定，負(fù)載在正常和低功耗模式之間反復(fù)切換，電源也容易在PWM和PFM兩個(gè)模式之間反復(fù)切換，這個(gè)切換的時(shí)隙，這也可能引起嘯叫，需要軟件優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免負(fù)載工作模式異常切換來(lái)避免嘯叫。

4.BUCK電感的飽和電流選取不合適時(shí)，有可能使得輸出電流增加，會(huì)誤觸發(fā)電源進(jìn)入過(guò)流保護(hù)，電源在正常工作模式和過(guò)流保護(hù)模式之間反復(fù)切換，也有一定可能性引起嘯叫，電感選取一定要合適。

5.開(kāi)關(guān)電源本身紋波就大，多相開(kāi)關(guān)電源具有紋波小、電流大的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)交錯(cuò)相位，可以有效減小電源的紋波進(jìn)而抑制嘯叫。

6.抑制嘯叫，除了上述軟件、參數(shù)、架構(gòu)的修改之外，一個(gè)典型的方案是使用抗嘯叫電容，比如村田KRM系列和ZRB系列。

其特殊的結(jié)構(gòu)可降低電容器的嘯叫現(xiàn)象，可吸收由熱量和機(jī)械沖擊引起的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)高可靠性。相比于Ta電容，抗嘯叫MLCC電壓變動(dòng)⊿V比初期小7～22%。

7.在布局的時(shí)候，也可以?xún)?yōu)化布局，電容彼此之間交錯(cuò)排列，抑制振動(dòng)。

8.甚至有的人提出了在電容旁邊挖槽，緩解嘯叫的方案。

MLCC是多層片式陶瓷電容器，簡(jiǎn)稱(chēng)貼片電容，會(huì)引起噪聲嘯叫問(wèn)題。

聲音源于物體振動(dòng)，振動(dòng)頻率為20Hz~20kHz的聲波能被人耳識(shí)別。

MLCC發(fā)出嘯叫聲音，即是說(shuō)，MLCC在電壓作用下發(fā)生幅度較大的振動(dòng)(微觀(guān)的較大，小于1nm)。

MLCC為什么會(huì)振動(dòng)?

我們要先了解一種自然現(xiàn)象——電致伸縮。

在外電場(chǎng)作用下，所有的物質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生伸縮形變——電致伸縮。對(duì)于某些高介電常數(shù)的鐵電材料，電致伸縮效應(yīng)劇烈，稱(chēng)為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

正壓電效應(yīng)：

對(duì)具有壓電特性的介質(zhì)材料施加機(jī)械壓力，介質(zhì)晶體會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)重組排布，材料表面會(huì)感應(yīng)出電荷，產(chǎn)生電位差。

逆壓電效應(yīng)：

對(duì)具有壓電特性的介質(zhì)材料施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，發(fā)生形變。

壓電效應(yīng)的學(xué)術(shù)定義：

在沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心的晶體上施加壓力、張力和切向力時(shí)，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體兩端面將出現(xiàn)正、負(fù)電荷，這一現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。反之在晶體上施加電場(chǎng)而引起極化，則產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力，這一現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。這兩種正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱(chēng)為壓電效應(yīng)。

陶瓷介質(zhì)是MLCC主要組成部分，電壓作用下，電致伸縮不可避免。如電致伸縮強(qiáng)烈表現(xiàn)為壓電效應(yīng)，則會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

所有MLCC都會(huì)嘯叫嗎?

MLCC設(shè)計(jì)制造陶瓷介質(zhì)材料主要有順電介質(zhì)和鐵電介質(zhì)兩大類(lèi)。

順電介質(zhì)：

又稱(chēng) I類(lèi)介質(zhì)，主要有SrZrO3、MgTiO3等。順電介質(zhì)電致伸縮形變很小，在工作電壓下，不足以產(chǎn)生噪聲。所以，順電介質(zhì)(I 類(lèi)介質(zhì))材料做的MLCC，如NPO (COG) 等溫度穩(wěn)定性產(chǎn)品，就不會(huì)產(chǎn)生噪聲嘯叫。

鐵電介質(zhì)：

又稱(chēng) II 類(lèi)介質(zhì)，主要BaTiO3、BaSrTiO3等。鐵電介質(zhì)具有強(qiáng)烈的電致伸縮特性—壓電效應(yīng)。因此，鐵電介質(zhì)(II 類(lèi)介質(zhì))做的MLCC，如X7R/X5R特性產(chǎn)品，在較大的交流電場(chǎng)強(qiáng)度作用下會(huì)產(chǎn)生明顯的噪聲嘯叫。

如上所示，X7R-MLCC兩端加上大幅度變化電壓后，BaTiO3陶瓷產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，MLCC形變振動(dòng)并傳遞到PCB板上發(fā)生共振。當(dāng)電壓信號(hào)的頻率在20Hz~20kHz人耳聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)，則能聽(tīng)到電容在嘯叫。

哪些場(chǎng)合MLCC嘯叫明顯?

較大的交變電壓，頻率在20Hz到20kHz之間，使用X7R/X5R類(lèi)中高容量MLCC，會(huì)產(chǎn)生明顯的嘯叫，如開(kāi)關(guān)電源、高頻電源等場(chǎng)合。

嘯叫的危害

許多移動(dòng)電子設(shè)備靠近人耳，如：筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)等，如電子電路中有可聽(tīng)噪聲會(huì)影響使用感受。

劇烈的嘯叫除了令人生厭外，還可能存在著可靠性設(shè)計(jì)不足的隱患。劇烈的嘯叫源于劇烈的振動(dòng)，振動(dòng)幅度由壓電效應(yīng)程度決定。壓電效應(yīng)與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，外加電壓不變，介質(zhì)越薄，壓電效應(yīng)越強(qiáng)，嘯叫聲音越大。

額定電壓由MLCC的材質(zhì)和介質(zhì)厚度決定的，劇烈的嘯叫表示對(duì)當(dāng)前工作電壓所選用的MLCC介質(zhì)厚度過(guò)薄，應(yīng)當(dāng)考慮選用介質(zhì)更厚，額定電壓更高的MLCC。

對(duì)鐵電陶瓷，在交變電場(chǎng)作用下，還存在鐵電疇交替轉(zhuǎn)向內(nèi)摩擦方面的問(wèn)題，交變場(chǎng)強(qiáng)大，內(nèi)摩擦嚴(yán)重，失效機(jī)率上升。這可在嘯叫聲音的大小上反映出來(lái)的。