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[導(dǎo)讀]與傳統(tǒng)聚合物電容器相比,多層陶瓷電容器 (MLCC) 在電力電子設(shè)計(jì)中很受歡迎,原因有很多: MLCC 提供: · 具有相對較高電容的小輪廓。 · 非常低的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。 · 非常低的等效串聯(lián)電感 (ESL)。 · 較高頻率下的阻抗較低。 · 非極化便于安裝和制造。 · 與鉭和鋁電解電容器相比,隨著時(shí)間的推移具有更高的可靠性。 · 降低單位成本。

與傳統(tǒng)聚合物電容器相比,多層陶瓷電容器 (MLCC) 在電力電子設(shè)計(jì)中很受歡迎,原因有很多:

MLCC 提供:

· 具有相對較高電容的小輪廓。

· 非常低的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。

· 非常低的等效串聯(lián)電感 (ESL)。

· 較高頻率下的阻抗較低。

· 非極化便于安裝和制造。

· 與鉭和鋁電解電容器相比,隨著時(shí)間的推移具有更高的可靠性。

· 降低單位成本。

然而,MLCC 并不總是靜靜地坐在董事會(huì)上并做好自己的工作。有時(shí)他們感到無聊并開始“唱歌”。這是由于陶瓷材料的壓電效應(yīng),它具有與其他鐵電介質(zhì)相同的特性。當(dāng)施加在 MLCC 表面上的電勢或電場在 20Hz-20kHz 的頻率范圍內(nèi)引起變形時(shí),人類可能會(huì)聽到。這稱為 MLCC 聲學(xué)噪聲或歌聲。

對聲學(xué)噪聲的主要貢獻(xiàn)包括:

· 以可聽范圍內(nèi)的頻率運(yùn)行的電勢。

· 與較大的外殼尺寸相比,較小的外殼尺寸往往會(huì)產(chǎn)生較低的聲級。

· 陶瓷介電常數(shù)(K);較高的 K 具有較高的鐵電特性。

· 由于較少的變形,較少的陶瓷層產(chǎn)生較低的聲級。

 

1:施加電場時(shí) MLCC 和電路板變形

MLCC 本身對人耳應(yīng)該是安靜的。但是,當(dāng)安裝在印刷電路板 (PCB) 上時(shí),聲音可能會(huì)很大。假設(shè)您在開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸入端有一個(gè)陶瓷電容器。開關(guān)行為會(huì)在陶瓷電容器上產(chǎn)生高頻電壓變化;隨著電壓的升高和降低,MLCC 會(huì)膨脹和收縮。MLCC 的變形會(huì)造成 PCB 的振動(dòng),從而導(dǎo)致蜂鳴聲放大。電勢變化越大,變形越大(壓電效應(yīng)),當(dāng)頻率出現(xiàn)在可聽范圍內(nèi)時(shí),會(huì)產(chǎn)生更大的聲音。

某些應(yīng)用可以使用電解質(zhì)或鉭型電容器,當(dāng)噪聲存在問題時(shí),最好使用通孔型電容器。但對于成本敏感或尺寸受限的應(yīng)用(如個(gè)人電子設(shè)備),您無法避免使用薄而小的陶瓷電容器,因此降低噪聲的需求立即變得至關(guān)重要。

以下是一些可以將噪音最小化或降低到可接受水平的可用解決方案:

· 使用聲音更安靜的電容器。電容器制造商已經(jīng)開發(fā)出具有低失真介電材料的陶瓷電容器,該材料具有較低的鐵電特性和較小的電壓變化變形。Murata 制造的一系列電容器位于中介層基板上以降低噪聲(圖 2)。村田也有一個(gè)具有特殊機(jī)械配置的系列;它使用金屬端子將電容器安裝在 PCB 板上,通過吸收機(jī)械沖擊來實(shí)現(xiàn)降噪(圖 3)。不幸的是,這種電容器往往更昂貴,這阻礙了終端設(shè)備制造商的廣泛使用。噪聲抑制效果取決于電容器的類型。(圖4) 

 

2 :“中介層”陶瓷電容器的機(jī)械結(jié)構(gòu)

 


3 :“金屬端子”陶瓷電容器的機(jī)械結(jié)構(gòu) 

 

4 :各電容器的降噪效果(典型值)

· 通過優(yōu)化 PCB 布局來降低噪音。噪聲的來源是 MLCC 與 PCB 的相互作用。優(yōu)化 PCB 上的元件布局可能是有效的。使用較厚的 PCB 會(huì)使聲音頻率因重量變化而發(fā)生偏移。一些文章還建議將組件放置在 PCB 的邊緣以降低聲壓級。同樣,將元件對稱放置在 PCB 的頂部和底部也有助于降低噪聲水平,因?yàn)楫?dāng)電壓施加到兩個(gè)電容器時(shí),兩個(gè)振動(dòng)將相互抵消,這是由于振動(dòng)消除效應(yīng)(圖 5)同時(shí)。

 

5 :PCB 兩側(cè)用于消除振動(dòng)的電容器

· 減少電容器上的電壓幅度變化。在大多數(shù)情況下,終端設(shè)備的制造受到成本或尺寸的限制,這使得前兩種降低噪聲的方法不切實(shí)際。然而,決定噪聲的另一個(gè)主要因素是電容器兩端的電壓變化有多高或多快。這可以通過適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,通過改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)或線路瞬態(tài)響應(yīng)。

以線路瞬態(tài)響應(yīng)為例,使用 TI 的 DCAP+? Vcore 控制器之一 TPS51622 進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn),通過在以快 (48mV/μs) 和慢 ( 12mV/μs) 使用英特爾穩(wěn)壓器 (VR) 工具的壓擺率。向TPS51622發(fā)送 I 2 C 命令可將輸出電壓從 0.5V 更改為 1.5V,輸入電壓紋波的測量結(jié)果如圖 5 所示。

 

6 :具有快/慢壓擺率的輸入陶瓷電容器上的輸入電壓紋波

快速擺率的電壓幅值遠(yuǎn)高于慢擺率的電壓幅值;電容器兩端的電壓差直接轉(zhuǎn)化為噪聲的增加,以分貝為單位。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示,噪音從約 40 分貝降至約 50 分貝,降至更低、更安靜的水平。其他聲級和效果見表 1。

 

1:噪聲源及其影響

傳統(tǒng)陶瓷電容器的廣泛使用給電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了噪聲問題。然而,有一些解決方案可以從不同的角度解決這個(gè)問題:改變 MLCC 本身的電子特性,或盡量減少其與 PCB 的相互作用。這些方法要么將噪聲降低到可接受的水平,要么通過使用更昂貴的“抗噪聲”電容器從源中消除噪聲。 



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