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作者: Nicolas Guibourg MLCC(或者陶瓷電容器)因其低成本和小體積而在電子電路中得到日益廣泛的使用，但是由于需要處理的電子器件越來(lái)越多，它們固有的壓力效應(表現為可聽(tīng)噪聲)便成為一個(gè)問(wèn)題。 相比常用鉭電解質(zhì)電容器，MLCC(多層陶瓷電容器)具有許多優(yōu)勢，具體如下：非常低的等效串聯(lián)電阻(ESR)；非常低的等效串聯(lián)電感(ESL)，小尺寸；更低老化度，電介質(zhì)高可靠性。 但是，與所有鐵電體電介質(zhì)一樣，它受壓電效應影響：某些材料由于機械變形在表面產(chǎn)生電勢或者電場(chǎng)。如果這種電介質(zhì)承受不同的電場(chǎng)強度，并且其工作頻率處在人耳可聽(tīng)頻率范圍內(20 Hz – 20 kHz)，則電容器會(huì )產(chǎn)生噪聲，也即所謂的可聽(tīng)噪聲。 在大多數情況下，MLCC本身并不足以產(chǎn)生有問(wèn)題的或者破壞性的聲壓級(SPL)。但在焊接到PCB板上以后，MLCC產(chǎn)生一個(gè)彈簧質(zhì)量系統，其增加或者抑制振蕩，具體取決于頻率(圖1)。本文將研究和討論降低陶瓷電容器可聽(tīng)噪聲的影響、原因和解決方案。 
圖1：電場(chǎng)影響下的MLCC變形。 實(shí)驗環(huán)境與設置 我們利用一個(gè)高敏感度Se Electronics 1000A麥克風(fēng)獲取測量結果，并使用Spectro頻率分析器2.0軟件對其進(jìn)行分析。所有下列數值結果并非是要為你提供絕對數據，而是用于相互比較，以理解MLCC可聽(tīng)噪聲的各種影響因素。我們還不完全了解產(chǎn)生這類(lèi)“噪聲”的原因，本文主要為你介紹一些事實(shí)，并不準備解釋某個(gè)參數產(chǎn)生某種結果的原因。大多數情況下，常識就能解釋“噪聲”產(chǎn)生的原因。少數情況下，需要讀者運用其技巧。 頻率影響 耳朵對聲音的響應依賴(lài)于聲音的頻率。人耳的最大靈敏度約為2.5kHz到3kHz(圖2)，并且低頻的響應相對較低。換句話(huà)說(shuō)，相同的SPL，相比低頻(例如：50 Hz)聲音，3 kHz頻率的聲音聽(tīng)起來(lái)更大聲。
圖2：人耳可聽(tīng)范圍。 本文剩下部分將不考慮頻率影響。 信號特性影響 如果給MLCC端施加一個(gè)替代電壓，電容器將在該信號頻率下收縮和膨脹，其變形程度取決于幾個(gè)因素。 基本上，絕對電壓越高，電容器膨脹越重要。因此，隨著(zhù)信號振幅(lVmax – Vminl)的增加，電容器容積變化也愈加重要，其導致更高的SPL(圖3)。另外，占空因數接近10%或者90%的信號，產(chǎn)生的“噪聲”比50%占空因數的信號更少(低12 dB)。
圖3：SPL、漂移與振幅的對比(6kHz – D= 50%)。 最后，急劇升/降沿的信號(例如：方波)會(huì )使電容器更快變形，因此SPL高于變化較慢的電壓(例如：正弦波)。 元件特性影響 顧名思義，MLCC由多個(gè)層組成，并且電容器的特性肯定會(huì )影響噪聲的產(chǎn)生。例如，物理尺寸相同時(shí)，電容越小，要求的層也越少，因此產(chǎn)生的變形也更小，具體如下面公式所示： Δt=n×V×d33 Δt =厚度變化(變形) [m] n = 層數 V = 厚度施加電壓 t [V] d33 = 厚度壓電系數 (“i=3” 方向) 變化 [m/V] 但是，相比大額定值電容器，給定電壓情況下小額定值電容器通常呈現更高的電容，而前者往往產(chǎn)生更多的噪聲。 不同的接觸面積(寬度、長(cháng)度)幾乎不影響噪聲的產(chǎn)生，但是相同電容時(shí)，粗電容器產(chǎn)生的SPL要比細電容器產(chǎn)生的低。我們注意到，電容器越細，電場(chǎng)越高(因為各層更緊密)，偏差效應也更高。例如，一個(gè)1mm電容器比2.5mm電容器多產(chǎn)生13 dB。 PCB板影響 由于PCB板會(huì )起到前述彈簧質(zhì)量系統共振器的作用，組合電容器/PCB板在尺寸、配置和布局方面都至關(guān)重要。遠離板的電容器(除其各端焊接材料以外不與板接觸)不會(huì )產(chǎn)生任何可聽(tīng)噪聲。 難以測量和控制的板自振頻率可以忽略不計。一般而言，板越厚，承受的變形越小，其產(chǎn)生的SPL也就越低。與此同時(shí)，振動(dòng)電容器周?chē)陌灞砻嬖街匾�，噪聲越大。�?yōu)先將電容器放置在PCB邊沿。測量結果表明，厚度降低2mm到1mm，噪聲增加5 dB，而面積減少14 cm?到5 cm?，噪聲減少6 dB。 相鄰放置時(shí)，電容器產(chǎn)生的總SPL更高(一個(gè)單電容器和三個(gè)并聯(lián)電容器之間，增加14 dB)。相反，在PCB板兩面對稱(chēng)放置時(shí)(圖4所示)，電容器往往相互抵消振動(dòng)。
圖4：焊接在PCB板兩面的電容器相互抵消振動(dòng)。 電子電路中的可聽(tīng)噪聲 由于許多電子設備均靠近人耳，例如：筆記本電腦、平板電腦、智能手機等，因此噪聲會(huì )令人感到異常討厭，并且會(huì )成為一種重要的購買(mǎi)決定因素。 在談到電容器高度、PCB板特性或者電容器布局時(shí)，因受空間和成本限制，制造廠(chǎng)商有時(shí)并沒(méi)有很大的自由度。但是，一個(gè)可以事先確定的轉換器參數是突發(fā)負載或者線(xiàn)壓變化的負載瞬態(tài)響應。由于這種參數會(huì )對輸出電容器的電壓振幅變化產(chǎn)生直接的影響，IC制造廠(chǎng)商會(huì )嘗試改善這種瞬態(tài)響應，以幫助解決可聽(tīng)噪聲問(wèn)題。 外部補償提供更高的靈活度，但通常要求使用額外的電阻器和電容器。與所有權衡過(guò)程一樣，用戶(hù)必須決定空間還是性能更重要。 MLCC替代方案 一些無(wú)源元件制造廠(chǎng)商已經(jīng)通過(guò)調節電介質(zhì)開(kāi)發(fā)出了具有低可聽(tīng)噪聲的MLCC。它們可幫助降低可聽(tīng)噪聲，但無(wú)法完全消除噪聲。其它解決方案也與這種情況類(lèi)似，例如：修改布局或者選擇不同特性的MLCC等。 由于電容器層變形是產(chǎn)生這種噪聲問(wèn)題的根源，相比MLCC應優(yōu)先選擇鉭類(lèi)電容器。不過(guò)，這些電容器的化學(xué)組成(MnO2)使電容器存在安全隱患，因為它很容易起火：這是大多數應用無(wú)法接受的。其它類(lèi)型(例如：鋁電解質(zhì)電容器)通常電氣性能不夠好，無(wú)法獲得廣泛的使用。 另一種替代方案是所謂的POSCAP。這些復雜的聚合物/鉭電容器正在筆記本電腦應用中獲得普遍使用，因為它們的結構消除了噪聲，并且其性能高于所有其它類(lèi)型電容器，特別是在偏差效應方面。例如，只需更少的電容器，便可獲得與數個(gè)MLCC并聯(lián)一樣的電容。 總結 降低MLCC電容器產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲的方法有很多。注意PCB布局、PCB板規格或者電容器選擇，可幫助降低SPL水平，但無(wú)法消除它。不過(guò)，這可能足以達到我們需要的水平。如果噪聲繼續存在，則明智的做法是改變電容器類(lèi)型，選擇一種更適合的電容器。這種解決方案的成本可能稍高，但是“一分投入，一分收獲”。 作者簡(jiǎn)介 Nicolas Guibourg于2006年作為一名系統工程師加入 TI（德國），他在顯示器功率轉換器組從事應用技術(shù)支持和新型產(chǎn)品定義工作。他擁有高等電子與數學(xué)學(xué)院（法國）電機工程學(xué)位。 參考文獻與感謝 1、感謝Andreas Maier抽出寶貴時(shí)間為本文所做的設備配置和數據測量工作 2、《低顫噪效應多層陶瓷電容器開(kāi)發(fā)》，作者?T. Noji、K. Kawasaki、H. Sano、 N. Inoue、 K. Malhotra，2006年4月，村田電子公司 3、“SANYO電容器”產(chǎn)品說(shuō)明，2009年10月 |
