如何降低電力應(yīng)用中 MLCC 的噪聲

與傳統(tǒng)聚合物電容器相比，多層陶瓷電容器 (MLCC) 在電力電子設(shè)計(jì)中很受歡迎，原因有很多：

MLCC 提供：

· 具有相對(duì)較高電容的小輪廓。

· 非常低的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。

· 非常低的等效串聯(lián)電感 (ESL)。

· 較高頻率下的阻抗較低。

· 非極化便于安裝和制造。

· 與鉭和鋁電解電容器相比，隨著時(shí)間的推移具有更高的可靠性。

· 降低單位成本。

然而，MLCC 并不總是靜靜地坐在董事會(huì)上并做好自己的工作。有時(shí)他們感到無(wú)聊并開始“唱歌”。這是由于陶瓷材料的壓電效應(yīng)，它具有與其他鐵電介質(zhì)相同的特性。當(dāng)施加在 MLCC 表面上的電勢(shì)或電場(chǎng)在 20Hz-20kHz 的頻率范圍內(nèi)引起變形時(shí)，人類可能會(huì)聽到。這稱為 MLCC 聲學(xué)噪聲或歌聲。

對(duì)聲學(xué)噪聲的主要貢獻(xiàn)包括：

· 以可聽范圍內(nèi)的頻率運(yùn)行的電勢(shì)。

· 與較大的外殼尺寸相比，較小的外殼尺寸往往會(huì)產(chǎn)生較低的聲級(jí)。

· 陶瓷介電常數(shù)（K）；較高的 K 具有較高的鐵電特性。

· 由于較少的變形，較少的陶瓷層產(chǎn)生較低的聲級(jí)。

圖 1：施加電場(chǎng)時(shí) MLCC 和電路板變形

MLCC 本身對(duì)人耳應(yīng)該是安靜的。但是，當(dāng)安裝在印刷電路板 (PCB) 上時(shí)，聲音可能會(huì)很大。假設(shè)您在開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸入端有一個(gè)陶瓷電容器。開關(guān)行為會(huì)在陶瓷電容器上產(chǎn)生高頻電壓變化；隨著電壓的升高和降低，MLCC 會(huì)膨脹和收縮。MLCC 的變形會(huì)造成 PCB 的振動(dòng)，從而導(dǎo)致蜂鳴聲放大。電勢(shì)變化越大，變形越大（壓電效應(yīng)），當(dāng)頻率出現(xiàn)在可聽范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更大的聲音。

某些應(yīng)用可以使用電解質(zhì)或鉭型電容器，當(dāng)噪聲存在問(wèn)題時(shí)，最好使用通孔型電容器。但對(duì)于成本敏感或尺寸受限的應(yīng)用（如個(gè)人電子設(shè)備），您無(wú)法避免使用薄而小的陶瓷電容器，因此降低噪聲的需求立即變得至關(guān)重要。

以下是一些可以將噪音最小化或降低到可接受水平的可用解決方案：

· 使用聲音更安靜的電容器。電容器制造商已經(jīng)開發(fā)出具有低失真介電材料的陶瓷電容器，該材料具有較低的鐵電特性和較小的電壓變化變形。Murata 制造的一系列電容器位于中介層基板上以降低噪聲（圖 2）。村田也有一個(gè)具有特殊機(jī)械配置的系列；它使用金屬端子將電容器安裝在 PCB 板上，通過(guò)吸收機(jī)械沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)降噪（圖 3）。不幸的是，這種電容器往往更昂貴，這阻礙了終端設(shè)備制造商的廣泛使用。噪聲抑制效果取決于電容器的類型。（圖4） 

圖2 ：“中介層”陶瓷電容器的機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 ：“金屬端子”陶瓷電容器的機(jī)械結(jié)構(gòu) 

圖4 ：各電容器的降噪效果（典型值）

· 通過(guò)優(yōu)化 PCB 布局來(lái)降低噪音。噪聲的來(lái)源是 MLCC 與 PCB 的相互作用。優(yōu)化 PCB 上的元件布局可能是有效的。使用較厚的 PCB 會(huì)使聲音頻率因重量變化而發(fā)生偏移。一些文章還建議將組件放置在 PCB 的邊緣以降低聲壓級(jí)。同樣，將元件對(duì)稱放置在 PCB 的頂部和底部也有助于降低噪聲水平，因?yàn)楫?dāng)電壓施加到兩個(gè)電容器時(shí)，兩個(gè)振動(dòng)將相互抵消，這是由于振動(dòng)消除效應(yīng)（圖 5）同時(shí)。

圖5 ：PCB 兩側(cè)用于消除振動(dòng)的電容器

· 減少電容器上的電壓幅度變化。在大多數(shù)情況下，終端設(shè)備的制造受到成本或尺寸的限制，這使得前兩種降低噪聲的方法不切實(shí)際。然而，決定噪聲的另一個(gè)主要因素是電容器兩端的電壓變化有多高或多快。這可以通過(guò)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)或線路瞬態(tài)響應(yīng)。

以線路瞬態(tài)響應(yīng)為例，使用 TI 的 DCAP+? Vcore 控制器之一 TPS51622 進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)在以快 (48mV/μs) 和慢 ( 12mV/μs) 使用英特爾穩(wěn)壓器 (VR) 工具的壓擺率。向TPS51622發(fā)送 I 2 C 命令可將輸出電壓從 0.5V 更改為 1.5V，輸入電壓紋波的測(cè)量結(jié)果如圖 5 所示。

圖6 ：具有快/慢壓擺率的輸入陶瓷電容器上的輸入電壓紋波

快速擺率的電壓幅值遠(yuǎn)高于慢擺率的電壓幅值；電容器兩端的電壓差直接轉(zhuǎn)化為噪聲的增加，以分貝為單位。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，噪音從約 40 分貝降至約 50 分貝，降至更低、更安靜的水平。其他聲級(jí)和效果見(jiàn)表 1。

表 1：噪聲源及其影響

傳統(tǒng)陶瓷電容器的廣泛使用給電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了噪聲問(wèn)題。然而，有一些解決方案可以從不同的角度解決這個(gè)問(wèn)題：改變 MLCC 本身的電子特性，或盡量減少其與 PCB 的相互作用。這些方法要么將噪聲降低到可接受的水平，要么通過(guò)使用更昂貴的“抗噪聲”電容器從源中消除噪聲。