如何降低MLCC壓電效應(yīng)和可聽噪聲
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越多，它們固有的壓力效應(yīng)(表現(xiàn)為可聽噪聲)便成為一個問題。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(yīng)影響：某些材料由于機械變形在表面產(chǎn)生電勢或者電場。如果這種電介質(zhì)承受不同的電場強度，并且其工作頻率處在人耳可聽頻率范圍內(nèi)(20 Hz – 20 kHz)，則電容器會產(chǎn)生噪聲，也即所謂的可聽噪聲。
在大多數(shù)情況下，MLCC本身并不足以產(chǎn)生有問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)生一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，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噪聲的影響、原因和解決方案。
圖1：電場影響下的MLCC變形。
實驗環(huán)境與設(shè)置
我們利用一個高敏感度Se Electronics 1000A麥克風(fēng)獲取測量結(jié)果，并使用Spectro頻率分析器2.0軟件對其進行分析。所有下列數(shù)值結(jié)果并非是要為你提供絕對數(shù)據(jù)，而是用于相互比較，以理解MLCC可聽噪聲的各種影響因素。我們還不完全了解產(chǎn)生這類“噪聲”的原因，本文主要為你介紹一些事實，并不準備解釋某個參數(shù)產(chǎn)生某種結(jié)果的原因。大多數(shù)情況下，常識就能解釋“噪聲”產(chǎn)生的原因。少數(shù)情況下，需要讀者運用其技巧。
頻率影響
耳朵對聲音的響應(yīng)依賴于聲音的頻率。人耳的最大靈敏度約為2.5kHz到3kHz(圖2)，并且低頻的響應(yīng)相對較低。換句話說，相同的SPL，相比低頻(例如：50 Hz)聲音，3 kHz頻率的聲音聽起來更大聲。
圖2：人耳可聽范圍。
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因素。
基本上，絕對電壓越高，電容器膨脹越重要。因此，隨著信號振幅(lVmax – Vminl)的增加，電容器容積變化也愈加重要，其導(dǎo)致更高的SPL(圖3)。另外，占空因數(shù)接近10%或者90%的信號，產(chǎn)生的“噪聲”比50%占空因數(shù)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由多個層組成，并且電容器的特性肯定會影響噪聲的產(chǎn)生。例如，物理尺寸相同時，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(shù)
V = 厚度施加電壓 t [V]
d33 = 厚度壓電系數(shù) (“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(xiàn)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、長度)幾乎不影響噪聲的產(chǎn)生，但是相同電容時，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，電場越高(因為各層更緊密)，偏差效應(yīng)也更高。例如，一個1mm電容器比2.5mm電容器多產(chǎn)生13 dB。
PCB板影響
由于PCB板會起到前述彈簧質(zhì)量系統(tǒng)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)不會產(chǎn)生任何可聽噪聲。
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，振動電容器周圍的板表面越重要，噪聲越大。優(yōu)先將電容器放置在PCB邊沿。測量結(jié)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，電容器產(chǎn)生的總SPL更高(一個單電容器和三個并聯(lián)電容器之間，增加14 dB)。相反，在PCB板兩面對稱放置時(圖4所示)，電容器往往相互抵消振動。
圖4：焊接在PCB板兩面的電容器相互抵消振動。
電子電路中的可聽噪聲
由于許多電子設(shè)備均靠近人耳，例如：筆記本電腦、平板電腦、智能手機等，因此噪聲會令人感到異常討厭，并且會成為一種重要的購買決定因素。
在談到電容器高度、PCB板特性或者電容器布局時，因受空間和成本限制，制造廠商有時并沒有很大的自由度。但是，一個可以事先確定的轉(zhuǎn)換器參數(shù)是突發(fā)負載或者線壓變化的負載瞬態(tài)響應(yīng)。由于這種參數(shù)會對輸出電容器的電壓振幅變化產(chǎn)生直接的影響，IC制造廠商會嘗試改善這種瞬態(tài)響應(yīng)，以幫助解決可聽噪聲問題。
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(quán)衡過程一樣，用戶必須決定空間還是性能更重要。
MLCC替代方案
一些無源元件制造廠商已經(jīng)通過調(diào)節(jié)電介質(zhì)開發(fā)出了具有低可聽噪聲的MLCC。它們可幫助降低可聽噪聲，但無法完全消除噪聲。其它解決方案也與這種情況類似，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)生這種噪聲問題的根源，相比MLCC應(yīng)優(yōu)先選擇鉭類電容器。不過，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(shù)應(yīng)用無法接受的。其它類型(例如：鋁電解質(zhì)電容器)通常電氣性能不夠好，無法獲得廣泛的使用。
另一種替代方案是所謂的POSCAP。這些復(fù)雜的聚合物/鉭電容器正在筆記本電腦應(yīng)用中獲得普遍使用，因為它們的結(jié)構(gòu)消除了噪聲，并且其性能高于所有其它類型電容器，特別是在偏差效應(yīng)方面。例如，只需更少的電容器，便可獲得與數(shù)個MLCC并聯(lián)一樣的電容。
總結(jié)
降低MLCC電容器產(chǎn)生的可聽噪聲的方法有很多。注意PCB布局、PCB板規(guī)格或者電容器選擇，可幫助降低SPL水平，但無法消除它。不過，這可能足以達到我們需要的水平。如果噪聲繼續(xù)存在，則明智的做法是改變電容器類型，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”。
編輯：admin 最后修改時間：2017-12-13
