电源应用中MLCC啸叫问题的分析与解决

 本文分析电源应用中MLCC啸叫产生的机理与抑制手段。

 本文根据以下文章整理综合:

啸叫对策事例 (动画)

How to reduce acoustic noise of MLCCs in power applications

Reducing MLCCs’ piezoelectric effects and audible noise

MLCC啸叫现象

 MLCC在电源应用中具有广泛的用途,其优点主要在于:

  • 高密度容值
  • 低寄生电阻(ESR)
  • 低寄生电感(ESL)
  • 高频阻抗低
  • 无极性,易于安装制造
  • 相比于钽电容与铝电解电容可靠性更高
  • 低成本

 通常情况下,MLCC并不会产生噪声。但在某些特殊场合下,MLCC会引发啸叫现象。MLCC的形态如下图所示:

 由于陶瓷材料的压电效应(piezoelectric effect),当外加交流电压时其将进行收缩,如下图所示。

 当电容器收缩时,将牵引PCB震动,如下图所示。注意图中“电解的施加方向”标注错误,应为“电场的施加方向”。芯片以及电路板的振幅仅为1pm~1nm。当电路板的振动周期在人耳可以听到的频率带(20~20kHz)是,则声音可以被人耳识别。

影响啸叫的因素

 影响啸叫的因素主要有以下几点,啸叫程度可以用声压级(SPL:Sound Pressure Level)衡量:

  • 交流电压的频率是否在可闻频率带(20~20kHz)
  • 交流电压的幅值:幅值增大则SPL增加
  • 直流偏置电压:直流偏置电压越大,则SPL增加
  • 电容的介电常数:介电常数越大则压电效应越强
  • 电容的层数:电容的层数越少,产生的形变小,则SPL降低

抑制啸叫的手段

降低交流电压幅值

 降低纹波幅值可以通过增大电容值来实现。更重要的是,需要侧重降低可闻频率带的纹波幅值。可以测量纹波噪声的频率,针对该频带设置合理类型与容值的电容进行滤波。

使用耐压更高的电容

 直流偏置电压越高SPL越大(本人猜想这与电容的容值-直流偏置电压特性有关,直流偏置电压增加,则容值降低,则纹波幅值增加,则SPL增加)。相对地,如果提高电容的耐压值,则可以降低啸叫水平。

优化PCB布局

 电容器牵引PCB引起噪声。增加PCB板的厚度有助于降低牵引影响,可以降低噪声;同时,如果将电容器对称放置在PCB两侧,则理想状态下牵引力抵消,则PCB不会发生形变。

使用低噪声电容

 目前村田等已经有低噪声产品推出,主要有两种降噪思路:

  • 使用独特的陶瓷材料抑制电容器的震动;
  • 使用支架等结构降低电容震动引起的应力。

文章目录
  1. 1. MLCC啸叫现象
  2. 2. 影响啸叫的因素
  3. 3. 抑制啸叫的手段
    1. 3.1. 降低交流电压幅值
    2. 3.2. 使用耐压更高的电容
    3. 3.3. 优化PCB布局
    4. 3.4. 使用低噪声电容
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