MLCC电容器发生啸叫如何抑制?
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笔记本电脑或手机上的某些规格 MLCC 有时候可能会发出“吱吱”声音,我们称之为异响或啸叫。出现啸叫是因为贴片陶瓷电容器中使用的强介电陶瓷材料发生了“电致伸缩”现象。电致伸缩效应是指电介质在电场的作用下,由于感应极化作用而产生机精变形,变形关小与电场平方成正比,与电场方向无关。因此,向MLCC 施加纹波电乐,交流电压时,电容器自身就会伸缩(如图1 所示)。这种伸缩传递到PCB 上就会导致 PCB 振动。虽然动的振幅只有 pm~nm,但此时的振动频率如果是在人可听频率范围(20Hz~20kHz之内的话,人们就会听到声音。也就是说PCB充当了扬声器功能。
随着笔记本电脑、手机等设备的普及,由电容器振动所产生的“啸叫”问题越来越多的受到人们的关注,如何优化各电源架构的电容啸叫,让电容闭嘴,是一个有趣的问题。
MLCC电容器发生啸叫主要是由陶瓷的压电效应引起的,MLCC电容器由于其特殊的结构,当施加在两端的电场变换时,可以引起成比例的机械应力的变化,此为逆压电效应,当振动频率落入人耳听觉范围内时,就会产生噪音,即所谓的“啸叫”。正压电效应相反,是受到力的作用,产生电场的过程。
无论是笔记本电脑还是手机,对电源的要求越来越高,通常在电源网络上并联大量的MLCC电容,如BUCK、BOOST架构的电源,当设计异常或者负载工作模式异常时,就很容易产生“啸叫”。
在笔记本电脑中,当电脑处于休眠状态,或者启动摄像头时,容易产生啸叫。
在手机中,最典型的一个案例是GSM所用的PA电源,此电源线上的特点是功率波动大、波动频率为典型的217Hz,落入人耳听觉范围内(20Hz~20Khz),当GSM通话时,用专用听诊器听此电源线上的电容,很容易听到“滋滋”啸叫音。
如何抑制?
1.BUCK电源通常有PWM和PFM两种工作模式。PWM工作模式时纹波小,用在负载功耗比较高的条件下,为了避免BUCK在PWM工作模式时,给电容充电的开关频率进入人耳范围内引起啸叫,有的电源的开关频率会刻意避开20hz~20Khz这个开关频率。
2.当电源处于轻载模式时,会间歇性的工作,间歇性输出几个脉冲,这个间歇性脉冲的频率,也有可能被人耳听到。所以也要从电源或者负载的角度,来优化PFM工作时间歇性脉冲的工作频率,避免啸叫。
3.另一个是隐含的一个状态,在项目初期,系统往往不稳定,负载在正常和低功耗模式之间反复切换,电源也容易在PWM和PFM两个模式之间反复切换,这个切换的时隙,这也可能引起啸叫,需要软件优化系统的稳定性,避免负载工作模式异常切换来避免啸叫。
4.BUCK电感的饱和电流选取不合适时,有可能使得输出电流增加,会误触发电源进入过流保护,电源在正常工作模式和过流保护模式之间反复切换,也有一定可能性引起啸叫,电感选取一定要合适。
5.开关电源本身纹波就大,多相开关电源具有纹波小、电流大的优点,通过交错相位,可以有效减小电源的纹波进而抑制啸叫。
6.抑制啸叫,除了上述软件、参数、架构的修改之外,一个典型的方案是使用抗啸叫电容,比如村田KRM系列和ZRB系列。
其特殊的结构可降低电容器的啸叫现象,可吸收由热量和机械冲击引起的应力,实现高可靠性。相比于Ta电容,抗啸叫MLCC电压变动⊿V比初期小7~22%。
7.在布局的时候,也可以优化布局,电容彼此之间交错排列,抑制振动。
8.甚至有的人提出了在电容旁边挖槽,缓解啸叫的方案。
MLCC是多层片式陶瓷电容器,简称贴片电容,会引起噪声啸叫问题。
声音源于物体振动,振动频率为20Hz~20kHz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。
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。
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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。