【導(dǎo)讀】陶瓷電容器(MLCC)具有極低的ESR、ESL,尺寸小及低老化度等優(yōu)勢,在電子電路中得到廣泛應(yīng)用。但與所有鐵電體電介質(zhì)一樣,MLCC受壓電效應(yīng)影響,會產(chǎn)生可聽噪聲,因此,本文將研究討論MLCC可聽噪聲的影響因素、分析其原因并提出解決方案。
陶瓷電容器(MLCC)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。
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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:
但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。
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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”。
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