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MLCC噪音原因分析 如何解決嘯叫
MLCC——多層片式陶瓷電容器,簡稱貼片電容,會引起噪聲嘯叫問題。

聲音源于物體振動,振動頻率為20Hz~20kHz的聲波能被人耳識別。

MLCC發出嘯叫聲音,即是說,MLCC在電壓作用下發生幅度較大的振動(微觀的較大,小于1nm)。

MLCC為什么會振動?
我們要先了解一種自然現象——電致伸縮。
在外電場作用下,所有的物質都會產生伸縮形變——電致伸縮。
對于某些高介電常數的鐵電材料,電致伸縮效應劇烈,稱為——壓電效應。
壓電效應包括正壓電效應和逆壓電效應
正壓電效應
對具有壓電特性的介質材料施加機械壓力,介質晶體會發生結構重組排布,材料表面會感應出電荷,產生電位差。

逆壓電效應
對具有壓電特性的介質材料施加電壓,則產生機械應力,發生形變。

壓電效應的學術定義:
“在沒有對稱中心的晶體上施加壓力、張力和切向力時,則發生與應力成比例的介質極化,同時在晶體兩端面將出現正、負電荷,這一現象稱為正壓電效應。反之在晶體上施加電場而引起極化,則產生與電場強度成比例的變形或機械應力,這一現象稱為逆壓電效應。這兩種正、逆壓電效應統稱為壓電效應。”

陶瓷介質是MLCC主要組成部分,電壓作用下,電致伸縮不可避免。如電致伸縮強烈表現為壓電效應,則會產生振動。
所有MLCC都會嘯叫嗎?
MLCC設計制造陶瓷介質材料主要有順電介質和鐵電介質兩大類。
順電介質
又稱I類介質,主要有SrZrO3、MgTiO3等。
順電介質電致伸縮形變很小,在工作電壓下,不足以產生噪聲。
所以,順電介質(I類介質)材料做的MLCC,如NPO(COG)等溫度穩定性產品,就不會產生噪聲嘯叫。
鐵電介質
又稱II類介質,主要BaTiO3、BaSrTiO3等。
鐵電介質具有強烈的電致伸縮特性—壓電效應。
因此,鐵電介質(II類介質)做的MLCC,如X7R/X5R特性產品,在較大的交流電場強度作用下會產生明顯的噪聲嘯叫。

如上所示,X7R-MLCC兩端加上大幅度變化電壓后,BaTiO3陶瓷產生逆壓電效應,MLCC形變振動并傳遞到PCB板上發生共振。
當電壓信號的頻率在20Hz~20kHz人耳聽覺范圍內,則能聽到電容在嘯叫。
哪些場合MLCC嘯叫明顯?
較大的交變電壓,頻率在20Hz到20kHz之間,使用X7R/X5R類中高容量MLCC,會產生明顯的嘯叫,如開關電源、高頻電源等場合。
嘯叫的危害
許多移動電子設備靠近人耳,如:筆記本電腦、平板電腦、智能手機等,如電子電路中有可聽噪聲會影響使用感受。
劇烈的嘯叫除了令人生厭外,還可能存在著可靠性設計不足的隱患。
劇烈的嘯叫源于劇烈的振動,振動幅度由壓電效應程度決定。
壓電效應與電場強度成正比,外加電壓不變,介質越薄,壓電效應越強,嘯叫聲音越大。

額定電壓由MLCC的材質和介質厚度決定的,劇烈的嘯叫表示對當前工作電壓所選用的MLCC介質厚度過薄,應當考慮選用介質更厚,額定電壓更高的MLCC。
對鐵電陶瓷,在交變電場作用下,還存在鐵電疇交替轉向內摩擦方面的問題,交變場強大,內摩擦嚴重,失效機率上升。這可在嘯叫聲音的大小上反映出來的。

解決嘯叫的方案
降低MLCC電容器產生的可聽噪聲的方法有很多,所有解決方案都會增加成本。
1、改變電容器類型是最直接的方法,用順電陶瓷電容、鉭電容和薄膜電容等不具有壓電效應的電容器替代。但需要考慮體積空間、可靠性和成本等問題。
2、調整電路,將加在MLCC大的交變電壓消除或者將其頻率移出人耳聽感頻段 (人耳最敏感音頻為1KHz~3KHz)。
3、注意PCB布局、PCB板規格,幫助降低嘯叫水平。
4、選用無噪聲或低噪聲的MLCC。
無噪/低噪聲MLCC的設計
目前針對MLCC的嘯叫現象,設計解決措施有三種。
(1)加厚底部保護層
由于保護層厚度部分是沒有內電極的,這部分的BaTiO3陶瓷不會發生形變,當兩端的焊錫高度不超過底保護層厚度,這時產生的形變對PCB影響要小,有效地降低噪聲。

(2)附加金屬支架結構
結構圖如下,它采用金屬支架把MLCC芯片架空。

MLCC與PCB板隔空,把逆壓電效應產生形變通過金屬支架彈性緩沖,減少對PCB板的作用,有效的降低噪聲。


(3)使用壓電效應弱的介質材料設計制造
通過對鈦酸鋇(BaTiO3)進一步摻雜犧牲一定的介電常數和溫度特性,得到壓電效應大大減弱的介質材料,用其制造的MLCC可有效的降低噪聲。
各大MLCC廠家,都有相應低噪材質的MLCC產品系列。(轉自 易容)

 
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