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MLCC為什么會(huì)嘯叫?怎么解決嘯叫?

張飛電子實(shí)戰(zhàn)營(yíng) ? 來(lái)源:張飛電子實(shí)戰(zhàn)營(yíng) ? 2023-04-23 10:00 ? 次閱讀

MLCC——多層片式陶瓷電容器,簡(jiǎn)稱貼片電容,會(huì)引起噪聲嘯叫問(wèn)題……

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筆記本電腦電源電路的嘯叫示例部位。

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隨著人們對(duì)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(wèn)題已成為設(shè)計(jì)方面的課題。

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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(shí)別。

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MLCC發(fā)出嘯叫聲音,即是說(shuō),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)。

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MLCC為什么會(huì)振動(dòng)?9174968e-e041-11ed-bfe3-dac502259ad0.png


我們要先了解一種自然現(xiàn)象——電致伸縮。


在外電場(chǎng)作用下,所有的物質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生伸縮形變——電致伸縮。
對(duì)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


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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(guò)人耳識(shí)別。

正壓電效應(yīng):
對(duì)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。

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逆壓電效應(yīng):
對(duì)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。

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壓電效應(yīng)的學(xué)術(shù)定義:
“在沒(méi)有對(duì)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(chǎng)而引起極化,則產(chǎn)生與電場(chǎng)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)。”

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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?9174968e-e041-11ed-bfe3-dac502259ad0.png


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(chǎng)強(qiáng)度作用下會(huì)產(chǎn)生明顯的噪聲嘯叫。

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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(hào)的頻率在20Hz~20kHz人耳聽覺(jué)范圍內(nèi),則能聽到電容在嘯叫。

哪些場(chǎng)合MLCC嘯叫明顯?9174968e-e041-11ed-bfe3-dac502259ad0.png


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(chǎng)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(chǎng)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。

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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(duì)當(dāng)前工作電壓所選用的MLCC介質(zhì)厚度過(guò)薄,應(yīng)當(dāng)考慮選用介質(zhì)更厚,額定電壓更高的MLCC。

對(duì)鐵電陶瓷,在交變電場(chǎng)作用下,還存在鐵電疇交替轉(zhuǎn)向內(nèi)摩擦方面的問(wèn)題,交變場(chǎng)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(lái)的。

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解決嘯叫的對(duì)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(wèn)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(wú)噪聲或低噪聲的MLCC。

無(wú)噪/低噪聲MLCC的設(shè)計(jì)9174968e-e041-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

目前針對(duì)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(méi)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(guò)底保護(hù)層厚度,這時(shí)產(chǎn)生的形變對(duì)PCB影響要小,有效地降低噪聲。

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(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。

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MLCC與PCB板隔空,把逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變通過(guò)金屬支架彈性緩沖,減少對(duì)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(guò)對(duì)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。

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:MLCC為什么會(huì)嘯叫?怎么解決嘯叫?

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