【導讀】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。隨著人們對電子設(shè)備的需求趨于平靜,在筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機 (DSC)等各種應用設(shè)備的電源電路方面,以前未引起重視的由電容器振動所產(chǎn)生的“嘯叫”問題已成為設(shè)計方面的課題。
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。
筆記本電腦電源電路的嘯叫示例部位
隨著人們對電子設(shè)備的需求趨于平靜,在筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機 (DSC) 等各種應用設(shè)備的電源電路方面,以前未引起重視的由電容器振動所產(chǎn)生的“嘯叫”問題已成為設(shè)計方面的課題。
聲音源于物體振動,振動頻率為20Hz~20 kHz的聲波能被人耳識別。
MLCC發(fā)出嘯叫聲音,即是說,MLCC在電壓作用下發(fā)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(xiàn)象——電致伸縮。
在外電場作用下,所有的物質(zhì)都會產(chǎn)生伸縮形變——電致伸縮。
對于某些高介電常數(shù)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
小結(jié):嘯叫原理
● 片狀獨石電容器由于強介電常數(shù)的陶瓷的壓電特性,在施加交流電壓的情況下,像如圖2所示進行收縮。
● 結(jié)果如圖3所示,電路板將朝平面方向振動。 (芯片及電路板的振幅僅為1pm~1nm左右)
● 該電路板的振幅周期在達到人們能夠聽到的頻率帶 (20Hz~20kHz) 時,聲音可通過人耳識別。
正壓電效應
對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加機械壓力,介質(zhì)晶體會發(fā)生結(jié)構(gòu)重組排布,材料表面會感應出電荷,產(chǎn)生電位差。
逆壓電效應
對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加電壓,則產(chǎn)生機械應力,發(fā)生形變。
壓電效應的學術(shù)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(fā)生與應力成比例的介質(zhì)極化,同時在晶體兩端面將出現(xiàn)正、負電荷,這一現(xiàn)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(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應力,這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應。這兩種正、逆壓電效應統(tǒng)稱為壓電效應。”
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。如電致伸縮強烈表現(xiàn)為壓電效應,則會產(chǎn)生振動。
所有MLCC都會嘯叫嗎?
MLCC設(shè)計制造陶瓷介質(zhì)材料主要有順電介質(zhì)和鐵電介質(zhì)兩大類。
順電介質(zhì)又稱I類介質(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類介質(zhì))材料做的MLCC,如NPO(COG)等溫度穩(wěn)定性產(chǎn)品,就不會產(chǎn)生噪聲嘯叫。
鐵電介質(zhì)又稱II類介質(zhì),主要BaTiO3、BaSrTiO3等。鐵電介質(zhì)具有強烈的電致伸縮特性—壓電效應。因此,鐵電介質(zhì)(II類介質(zhì))做的MLCC,如X7R/X5R特性產(chǎn)品,在較大的交流電場強度作用下會產(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,MLCC形變振動并傳遞到PCB板上發(fā)生共振。
當電壓信號的頻率在20Hz~20kHz人耳聽覺范圍內(nèi),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(chǎn)生明顯的嘯叫,如開關(guān)電源、高頻電源等場合。
嘯叫的危害
許多移動電子設(shè)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(shè)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(zhì)越薄,壓電效應越強,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,劇烈的嘯叫表示對當前工作電壓所選用的MLCC介質(zhì)厚度過薄,應當考慮選用介質(zhì)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(zhuǎn)向內(nèi)摩擦方面的問題,交變場強大,內(nèi)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。
解決嘯叫的對策
降低MLCC電容器產(chǎn)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(diào)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(guī)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(shè)計
目前針對MLCC的嘯叫現(xiàn)象,設(shè)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(nèi)電極的,這部分的BaTiO3陶瓷不會發(fā)生形變,當兩端的焊錫高度不超過底保護層厚度,這時產(chǎn)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(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(zhì)材料設(shè)計制造
通過對鈦酸鋇(BaTiO3)進一步摻雜犧牲一定的介電常數(shù)和溫度特性,得到壓電效應大大減弱的介質(zhì)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(zhì)的MLCC產(chǎn)品系列。