MLCC为什么会啸叫？一篇干货解决的啸叫问题！

电源Fan 2021-12-13 08:48

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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。

END

来源：电子工程师笔记

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