減少 MLCC 的壓電效應(yīng)和可聞噪聲

隨著 MLCC(或陶瓷電容器)因其低成本和薄型而在電子電路中日益普及，隨著越來越多的電子設(shè)備趨向于手持式，其固有的壓電效應(yīng)表現(xiàn)出的可聽噪聲可能成為一個(gè)問題。

目標(biāo)和背景

MLCC(多層陶瓷電容器)與常用的鉭電解電容器相比具有許多優(yōu)勢(shì)，其中包括：

· 非常低的等效串聯(lián)電阻 (ESR)，

· 非常低的等效串聯(lián)電感(ESL)，小尺寸，

· 其電介質(zhì)老化率低，可靠性高。

然而，與所有鐵電電介質(zhì)一樣，它受到壓電效應(yīng)的影響：某些材料通過機(jī)械變形在表面產(chǎn)生電勢(shì)或電場(chǎng)。如果電介質(zhì)現(xiàn)在受到變化的電場(chǎng)強(qiáng)度，且其工作頻率位于人耳可聽頻率范圍 (20 Hz – 20 kHz) 內(nèi)，則電容器會(huì)產(chǎn)生噪聲，即所謂的可聽噪聲。

在大多數(shù)情況下，單獨(dú)的 MLCC 不足以產(chǎn)生有問題或破壞性的聲壓級(jí) (SPL)。但焊接在 PCB 板上的 MLCC 會(huì)生成一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)頻率增加或抑制振蕩。本文研究并討論了降低陶瓷電容器可聞噪聲的影響、可能的原因和解決方案。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)置

使用高靈敏度 Se Electronics 1000A 麥克風(fēng)獲取測(cè)量結(jié)果，并使用 SpectroFrequencyAnalyzer 2.0 軟件進(jìn)行分析。以下所有數(shù)值結(jié)果并不旨在提供絕對(duì)數(shù)據(jù)，而是用于相互之間的相對(duì)比較，以了解 MLCC 中可聞噪聲的不同影響因素。

這種“噪音”的所有原因尚不完全清楚，本文主要揭露事實(shí)，但沒有試圖解釋為什么這樣的參數(shù)會(huì)產(chǎn)生這樣的動(dòng)作。在大多數(shù)情況下，常識(shí)可以解釋“噪音”的原因。在其他方面，讀者的技能將受到限制。

頻率影響

耳朵對(duì)聲音的反應(yīng)取決于聲音的頻率。人耳可以在 2.5 kHz 至 3 kHz 左右達(dá)到峰值響應(yīng)，并且在低頻下具有相對(duì)較低的響應(yīng)。換句話說，對(duì)于相同的聲壓級(jí)，頻率為 3 kHz 的聲音在我們耳中會(huì)比頻率較低(如 50 Hz)的聲音聽起來更大。本文的其余部分將不考慮頻率的影響。

信號(hào)特性影響

如果在 MLCC 端子上施加交流電壓，電容器將按照信號(hào)頻率收縮和膨脹，變形幅度取決于多個(gè)因素。

基本上，絕對(duì)電壓越高，電容器膨脹就越重要。因此，隨著信號(hào)幅度 (lVmax – Vminl) 的增加，電容器的體積變化也將變得更加重要，從而導(dǎo)致更高的 SPL(圖 3)。此外，占空比接近 10% 或 90% 的信號(hào)產(chǎn)生的“噪聲”比占空比為 50% 的信號(hào)少得多(低 12 dB)。

最后，具有陡峭上升/下降沿的信號(hào)(如方波)將導(dǎo)致電容器更快變形，因此比變化較慢的電壓(如正弦波)具有更高的聲壓級(jí)。

元件特性影響

顧名思義，MLCC是由多層制成的，電容器的特性肯定會(huì)對(duì)產(chǎn)生的噪聲產(chǎn)生影響。例如，對(duì)于相同的物理尺寸，較低的電容將需要較少的層數(shù)，從而產(chǎn)生較小的變形，如下列公式所示：

Δt = n * V * d 33

Δt = 厚度變化(變形)[m]

n = 層數(shù)

V = 跨厚度施加的電壓 t [V]

d 33 = 厚度(“i=3”方向)變化的壓電系數(shù) [m/V]

然而，雖然較低額定值的電容器在給定電壓下通常比較高額定值的電容器表現(xiàn)出更高的電容，但后者往往會(huì)產(chǎn)生更多噪聲。

不同的接觸面積(寬度、長(zhǎng)度)對(duì)產(chǎn)生的噪聲幾乎沒有影響，但對(duì)于相同的電容，厚電容器產(chǎn)生的聲壓級(jí)會(huì)比較薄電容器產(chǎn)生的聲壓級(jí)更低?？梢宰⒁獾?，電容器越薄，電場(chǎng)越高(因?yàn)楦鲗痈咏?并且偏置效應(yīng)越高。例如，1 毫米電容器產(chǎn)生的噪音比 2.5 毫米電容器低 13 分貝。

PCB 板的影響

由于 PCB 板將充當(dāng)所述彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的諧振器，因此電容器/PCB 板組合在尺寸、放置和布局方面至關(guān)重要。遠(yuǎn)離電路板焊接的電容器(除了端子上的焊接材料之外沒有其他觸點(diǎn)與電路板接觸)不會(huì)產(chǎn)生任何可聽噪聲。

電路板的自諧振頻率既難以測(cè)量又難以控制，因此可以忽略不計(jì)。一般來說，板越厚，變形的可能性就越小，因此產(chǎn)生的聲壓級(jí)就越低。同時(shí)，振動(dòng)電容周圍的板面越重要，噪聲就越大。最好將電容器放置在 PCB 邊緣。測(cè)量結(jié)果表明，厚度從 2 mm 減少到 1 mm 改善了 5 dB，而從 14 cm 2減少到 5 cm 2改善了 6 dB。

彼此相鄰放置的電容器可產(chǎn)生更高的整體聲壓級(jí)(單個(gè)電容器與三個(gè)并聯(lián)放置的電容器之間 +14 dB)。相反，當(dāng)對(duì)稱放置在 PCB 板的每一側(cè)時(shí)，電容器往往會(huì)消除彼此的振動(dòng)。

電子電路中的可聞噪聲

由于筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)等電子設(shè)備靠近人耳，這種噪聲的產(chǎn)生很快就會(huì)變得煩人，并被視為一個(gè)關(guān)鍵的購買因素。

制造商在間距和成本方面的限制主要是在談?wù)撾娙萜鞲叨?、PCB 板特性或電容器放置時(shí)不允許有很大的自由度。然而，可以預(yù)先計(jì)算出轉(zhuǎn)換器的一個(gè)參數(shù)是對(duì)負(fù)載或線路突然變化的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。由于該參數(shù)將對(duì)輸出電容器上的電壓幅度變化產(chǎn)生直接影響，因此 IC 制造商將嘗試改善這種瞬態(tài)響應(yīng)，以幫助解決可聞噪聲問題。

外部補(bǔ)償提供了更好的靈活性，但通常需要額外的電阻器和電容器。與任何權(quán)衡一樣，用戶必須決定空間和性能哪個(gè)更重要。

MLCC 的替代品

一些無源元件制造商已成功通過調(diào)整電介質(zhì)來開發(fā)具有低噪聲的 MLCC。它們有助于減少可聽噪聲，但無法完全抑制它，類似的評(píng)論適用于所有應(yīng)用解決方案，例如修改布局或選擇具有不同特性的 MLCC。

由于電容器層的變形是噪聲問題的根源，因此鉭型電容器優(yōu)于 MLCC。然而，這些電容器的化學(xué)成分 (MnO2) 使其不安全，因?yàn)樗鼈兒苋菀字穑哼@對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說是不可行的。其他類型(例如鋁電解電容器)通常無法提供足夠好的電氣性能而無法廣泛使用。

另一種替代方案是所謂的 POSCAP。這些繁重的聚合物/鉭電容器在筆記本電腦應(yīng)用中越來越受歡迎，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)使它們無噪聲，并且它們的電氣性能優(yōu)于所有其他類型，特別是在談到偏置效應(yīng)時(shí)。例如，可以使用更少的電容器來獲得與并聯(lián)放置的多個(gè) MLCC 相同的電容。

總結(jié)

有多種方法可以減少 MLCC 電容器產(chǎn)生的可聽噪聲。 PCB 布局、PCB 板規(guī)格或電容器選擇將有助于降低 SPL 水平，但不會(huì)消除它。然而，這可能足以達(dá)到所需的水平。