贴片电容为什么会引起噪声啸叫问题?

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MLCC——多层片式陶瓷电容器,简称贴片电容,会引起噪声啸叫问题,这是为什么了?

声音源于物体振动,振动频率为20Hz~20 kHz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

MLCC为什么会振动?

在了解MLCC为什么要振动之前,我们要先了解一种自然现象,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

压电效应的定义: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。

MLCC

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。

MLCC

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。

MLCC

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

MLCC

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。

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

解决啸叫的对策

降低MLCC电容器产生的可听噪声的方法有很多,所有解决方案都会增加成本。

1、改变电容器类型是最直接的方法,用顺电陶瓷电容、钽电容和薄膜电容等不具有压电效应的电容器替代。但需要考虑体积空间、可靠性和成本等问题。

2、调整电路,将加在MLCC大的交变电压消除或者将其频率移出人耳听感频段 (人耳最敏感音频为1KHz~3KHz)。

3、注意PCB布局、PCB板规格,帮助降低啸叫水平。

4、选用无噪声或低噪声的MLCC。

关于无噪/低噪声MLCC的设计,目前针对MLCC的啸叫现象,设计解决措施有三种。

①加厚底部保护层

由于保护层厚度部分是没有内电极的,这部分的BaTiO3陶瓷不会发生形变,当两端的焊锡高度不超过底保护层厚度,这时产生的形变对PCB影响要小,有效地降低噪声。

MLCC

②附加金属支架结构

结构图如下,它采用金属支架把MLCC芯片架空。

MLCC

MLCC与PCB板隔空,把逆压电效应产生形变通过金属支架弹性缓冲,减少对PCB板的作用,有效的降低噪声。

③使用压电效应弱的介质材料设计制造

通过对钛酸钡(BaTiO3)进一步掺杂牺牲一定的介电常数和温度特性,得到压电效应大大减弱的介质材料,用其制造的MLCC可有效的降低噪声。各大MLCC厂家,都有相应低噪材质的MLCC产品系列。

不知道屏幕前的读者们,所做电子类产品,是如何解决电容啸叫的问题?

审核编辑:黄飞

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