MLCC為什么會(huì)嘯叫？一篇干貨解決的嘯叫問題！
時(shí)間：2021-12-13 13:48:08
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MLCC
壓電效應(yīng)
振動(dòng)
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[導(dǎo)讀]MLCC——多層片式陶瓷電容器，簡稱貼片電容，會(huì)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(jī)、數(shù)碼相機(jī)(DSC)等各種應(yīng)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(dòng)所產(chǎn)生的“嘯叫”問題已成為設(shè)計(jì)方面的課題。聲音源于...
MLCC——多層片式陶瓷電容器，簡稱貼片電容，會(huì)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(jī)、數(shù)碼相機(jī) (DSC) 等各種應(yīng)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(dòng)所產(chǎn)生的“嘯叫”問題已成為設(shè)計(jì)方面的課題。
聲音源于物體振動(dòng)，振動(dòng)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(dòng)（微觀的較大，小于1nm）。
MLCC為什么會(huì)振動(dòng)？
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(huì)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(yīng)劇烈，稱為——壓電效應(yīng)。
壓電效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)
?小結(jié)：嘯叫原理? ?
正壓電效應(yīng)
對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加機(jī)械壓力，介質(zhì)晶體會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)重組排布，材料表面會(huì)感應(yīng)出電荷，產(chǎn)生電位差。
逆壓電效應(yīng)
對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，發(fā)生形變。
壓電效應(yīng)的學(xué)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(shí)，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體兩端面將出現(xiàn)正、負(fù)電荷，這一現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之在晶體上施加電場而引起極化，則產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力，這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。這兩種正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。
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(qiáng)烈表現(xiàn)為壓電效應(yīng)，則會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。
所有MLCC都會(huì)嘯叫嗎？
MLCC設(shè)計(jì)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(huì)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(qiáng)烈的電致伸縮特性—壓電效應(yīng)。
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(qiáng)度作用下會(huì)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(yīng)，MLCC形變振動(dòng)并傳遞到PCB板上發(fā)生共振。
當(dāng)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(huì)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(dòng)電子設(shè)備靠近人耳，如：筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)等，如電子電路中有可聽噪聲會(huì)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(jì)不足的隱患。
劇烈的嘯叫源于劇烈的振動(dòng)，振動(dòng)幅度由壓電效應(yīng)程度決定。
壓電效應(yīng)與電場強(qiáng)度成正比，外加電壓不變，介質(zhì)越薄，壓電效應(yīng)越強(qiáng)，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(dāng)前工作電壓所選用的MLCC介質(zhì)厚度過薄，應(yīng)當(dāng)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(qiáng)大，內(nèi)摩擦嚴(yán)重，失效機(jī)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(huì)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(yīng)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(jì)
目前針對MLCC的嘯叫現(xiàn)象，設(shè)計(jì)解決措施有三種。
（1）加厚底部保護(hù)層
由于保護(hù)層厚度部分是沒有內(nèi)電極的，這部分的BaTiO3陶瓷不會(huì)發(fā)生形變，當(dāng)兩端的焊錫高度不超過底保護(hù)層厚度，這時(shí)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(yīng)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(yīng)弱的介質(zhì)材料設(shè)計(jì)制造
通過對鈦酸鋇（BaTiO3）進(jìn)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(yīng)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(yīng)低噪材質(zhì)的MLCC產(chǎn)品系列。
END
來源：電子工程師筆記版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除。
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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(jī)、數(shù)碼相機(jī) (DSC) 等各種應(yīng)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(dòng)所產(chǎn)生的“嘯叫”問題已成為設(shè)計(jì)方面的課題。
聲音源于物體振動(dòng)，振動(dòng)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(dòng)（微觀的較大，小于1nm）。
MLCC為什么會(huì)振動(dòng)？
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(huì)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(yīng)劇烈，稱為——壓電效應(yīng)。
壓電效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)
?小結(jié)：嘯叫原理? ?
- 片狀獨(dú)石電容器由于強(qiáng)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(jìn)行收縮。
- 結(jié)果如圖3所示，電路板將朝平面方向振動(dòng)。(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(dá)到人們能夠聽到的頻率帶 (20Hz～20kHz) 時(shí)，聲音可通過人耳識別。
正壓電效應(yīng)
對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加機(jī)械壓力，介質(zhì)晶體會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)重組排布，材料表面會(huì)感應(yīng)出電荷，產(chǎn)生電位差。
逆壓電效應(yīng)
對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，發(fā)生形變。
壓電效應(yīng)的學(xué)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(shí)，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體兩端面將出現(xiàn)正、負(fù)電荷，這一現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之在晶體上施加電場而引起極化，則產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力，這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。這兩種正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。
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(qiáng)烈表現(xiàn)為壓電效應(yīng)，則會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。
所有MLCC都會(huì)嘯叫嗎？
MLCC設(shè)計(jì)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(huì)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(qiáng)烈的電致伸縮特性—壓電效應(yīng)。
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(qiáng)度作用下會(huì)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(yīng)，MLCC形變振動(dòng)并傳遞到PCB板上發(fā)生共振。
當(dāng)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(huì)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(dòng)電子設(shè)備靠近人耳，如：筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)等，如電子電路中有可聽噪聲會(huì)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(jì)不足的隱患。
劇烈的嘯叫源于劇烈的振動(dòng)，振動(dòng)幅度由壓電效應(yīng)程度決定。
壓電效應(yīng)與電場強(qiáng)度成正比，外加電壓不變，介質(zhì)越薄，壓電效應(yīng)越強(qiáng)，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(dāng)前工作電壓所選用的MLCC介質(zhì)厚度過薄，應(yīng)當(dāng)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(qiáng)大，內(nèi)摩擦嚴(yán)重，失效機(jī)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(huì)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(yīng)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(jì)
目前針對MLCC的嘯叫現(xiàn)象，設(shè)計(jì)解決措施有三種。
（1）加厚底部保護(hù)層
由于保護(hù)層厚度部分是沒有內(nèi)電極的，這部分的BaTiO3陶瓷不會(huì)發(fā)生形變，當(dāng)兩端的焊錫高度不超過底保護(hù)層厚度，這時(shí)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(yīng)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(yīng)弱的介質(zhì)材料設(shè)計(jì)制造
通過對鈦酸鋇（BaTiO3）進(jìn)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(yīng)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(yīng)低噪材質(zhì)的MLCC產(chǎn)品系列。
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