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解決MLCC電容嘯叫的四個解決方案

唯樣商城 ? 來源:唯樣商城 ? 作者:唯樣商城 ? 2022-04-26 15:51 ? 次閱讀

嘯叫是指聽到來自PCB板的類似“嘰”或“吱”聲音的現(xiàn)象。例如,聽說有的便攜設(shè)備用的廉價充電器發(fā)出相當(dāng)大的嘯叫音。
可能有些設(shè)備或環(huán)境即使產(chǎn)生了嘯叫也未注意到,或者是不在意的現(xiàn)象,但如果在就寢時的安靜環(huán)境中,應(yīng)該可以注意到便攜設(shè)備充電器等的嘯叫聲。另外,音頻設(shè)備等聽到在播放聲音之外的聲音就是比較嚴(yán)重的問題了。
首先,講解一下嘯叫的機(jī)理。
高介電常數(shù)的陶瓷電容器具有給電介質(zhì)施加電壓時,電介質(zhì)變形(失真)的特性。這是壓電效應(yīng)的相反現(xiàn)象,被稱為“逆壓電效應(yīng)”。此外,有時也將具有這種特性表達(dá)為“壓電性”或“逆壓電性”。如果施加的是DC電壓,則僅產(chǎn)生相應(yīng)的失真,而如果是有振幅的電壓,則使MLCC周期性地變形并引起PCB板振動。如果其頻率是可聽頻段20Hz~20kHz,就可聽到聲音。

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上圖是更具體的示意圖,表示施加電壓與MLCC變形的關(guān)系。從開關(guān)電源考慮,輸出電壓是DC,包括開關(guān)頻率引起的紋波電壓。輸出紋波誘發(fā)被用作輸出電容器的MLCC的振動。

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在PCB板中,由于在MLCC兩端的電極為焊接,電極間的長度方向的變形(圖中藍(lán)色的雙箭頭)使PCB板表面(圖中黃綠色的雙箭頭)變形,如此反復(fù)導(dǎo)致振動。該振動通過PCB板的傳導(dǎo)被放大,成為人耳能聽到的程度的音壓是嘯叫。當(dāng)然,條件是振動的頻率為可聽頻段。
嘯叫是種典型的現(xiàn)象,有怎樣的對策呢?
嘯叫不僅與電介質(zhì)材料和電容器的形狀有關(guān),也與PCB板的尺寸和安裝狀態(tài)等有關(guān),實(shí)際上需要進(jìn)行電容器自身的對策和布局兩方面的探討。不管怎樣,讓嘯叫完全消失是相當(dāng)難的,可采用改善到容許范圍內(nèi)的方法。在此介紹4個對策。

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①通過材料進(jìn)行改善
開發(fā)出使用了逆壓電效應(yīng)很低、即變形較小的電介質(zhì)材料的MLCC。基本上如右圖所示,低介電常數(shù)材料的失真更低。例如,有LD(Low Distortion)系列等可降低嘯叫的產(chǎn)品群。
②通過電路板設(shè)計(jì)進(jìn)行改善
這是PCB板方面的改善。例如,對于同一電源線,如圖所示,兩面安裝相同的MLCC。兩個MLCC的振動相反相互抵消,振動被緩解。
③通過結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善:LW(長度-寬度)逆轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)
MLCC的電極間的長度通常大于寬度。通過縮短電極間的長度,可減輕導(dǎo)致PCB板振動的電極間的變形。如圖所示,準(zhǔn)備了寬度較電極間寬的類型的MLCC。圖中稱為“RGC”的是逆轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)型。
④通過結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善:金屬框架型
在彎曲應(yīng)力的對策中提過的金屬框架型MLCC也有助于改善嘯叫。從結(jié)構(gòu)立刻可以想象到,金屬框架吸收MLCC的振動。
各種對策的效果是怎么樣的?
這四個對策之中,可以預(yù)期金屬框架有很好的效果。看試驗(yàn)數(shù)據(jù)就一目了然了。從以下數(shù)據(jù)可以看出,金屬框架型與標(biāo)準(zhǔn)品相比,最大可改善約30dB的音壓。

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關(guān)于嘯叫的對策,要注意的地方
嘯叫如前面所提到的,不僅與MLCC的材料和形狀有關(guān)也與PCB板和安裝有關(guān),因此有些情況需要從不同的角度來多方研究。不僅是改善效果的大小,為了改善嘯叫有可能要變更PCB板布局和元器件?,F(xiàn)實(shí)中,這些有可能是限制事項(xiàng),有時需要權(quán)衡。
例如,雖然金屬框架型的改善效果很好,但對元器件的高度有限定時,可能無法使用。相反,如果因改善效果不錯、可解決高度問題而采用LW逆轉(zhuǎn)型,則需要變更布線模式和布局。下表總結(jié)了這些限制事項(xiàng)與對策的關(guān)系,僅供參考。

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電容器制造商可以采取包括這些方法在內(nèi)的綜合嘯叫對策,所以咨詢制造商也是良策。
另外,嘯叫對于疊層陶瓷電容器自身的可靠性有不良影響嗎?例如,如果響聲不是問題,可以對響聲置之不理地繼續(xù)使用下去嗎?
嘯叫被認(rèn)為對MLCC自身沒有影響。MLCC自身的振動非常小,僅為微米~納米級別。相比之下,利用壓電效應(yīng)的壓電蜂鳴器和陶瓷振蕩器等,是積極的利用了高達(dá)幾十倍振動的產(chǎn)品,具有充分的可靠性。從這點(diǎn)看也可以理解MLCC的逆壓電效應(yīng)對可靠性并沒有特別的影響。

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審核編輯:符乾江

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