在電子設(shè)備的世界里，陶瓷電容作為一種極為常見(jiàn)的電子元件，默默發(fā)揮著重要作用。然而，有時(shí)它們會(huì)發(fā)出一種令人困擾的嘯叫聲，不僅影響用戶體驗(yàn)，還可能暗示著潛在的電路問(wèn)題。本文將深入探討陶瓷電容嘯叫現(xiàn)象，剖析其背后的原因、帶來(lái)的影響，并提出相應(yīng)的解決措施。

陶瓷電容嘯叫現(xiàn)象與原理

陶瓷電容，特別是多層片式陶瓷電容器(MLCC)，在特定條件下會(huì)發(fā)出嘯叫。這種嘯叫本質(zhì)上是由于電容在電壓作用下發(fā)生了幅度較大的振動(dòng)，且振動(dòng)頻率處于人耳可識(shí)別的 20Hz - 20kHz 范圍。其產(chǎn)生機(jī)制與電致伸縮和壓電效應(yīng)密切相關(guān)。

當(dāng)對(duì)陶瓷電容施加交變電壓時(shí)，多晶材料中的分子集團(tuán)會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象。在電場(chǎng)作用下，這些極化方向被迫與電場(chǎng)方向一致，進(jìn)而導(dǎo)致材料發(fā)生形變，這就是電致伸縮。對(duì)于某些高介電常數(shù)的鐵電材料，電致伸縮效應(yīng)尤為劇烈，被稱為壓電效應(yīng)。

在逆壓電效應(yīng)中，對(duì)具有壓電特性的陶瓷電容施加電壓，會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，進(jìn)而發(fā)生形變。順電介質(zhì)，如由 SrZrO3、MgTiO3 等組成的材料，電致伸縮形變很小，在正常工作電壓下不足以產(chǎn)生可聞噪聲，所以由順電介質(zhì)(I 類介質(zhì))制成的 MLCC，如 NPO(COG)等溫度穩(wěn)定性產(chǎn)品，通常不會(huì)產(chǎn)生嘯叫。而鐵電介質(zhì)，如由 BaTiO3、BaSrTiO3 等材料構(gòu)成的，具有強(qiáng)烈的電致伸縮特性，容易受到電場(chǎng)影響而產(chǎn)生明顯形變。當(dāng)電容上的電壓紋波較大，且紋波頻率在人耳聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)時(shí)，由鐵電介質(zhì)(II 類介質(zhì))制成的 MLCC，如 X7R/X5R 特性產(chǎn)品，就可能會(huì)產(chǎn)生明顯的噪聲嘯叫。

陶瓷電容嘯叫的影響

用戶體驗(yàn)層面

最直觀的影響就是對(duì)用戶體驗(yàn)的破壞。在筆記本電腦、智能手機(jī)等設(shè)備中，陶瓷電容嘯叫產(chǎn)生的刺耳聲音會(huì)在設(shè)備運(yùn)行時(shí)干擾用戶。比如在安靜環(huán)境下使用筆記本電腦，電容嘯叫的聲音會(huì)格外明顯，使人心煩意亂，降低用戶對(duì)產(chǎn)品的好感度。

設(shè)備可靠性層面

從設(shè)備可靠性角度來(lái)看，電容嘯叫也存在隱患。對(duì)于使用鐵電介質(zhì)的電容，在電場(chǎng)作用下，鐵電疇的極化方向會(huì)被強(qiáng)行逆轉(zhuǎn)，這會(huì)增加鐵電疇之間的摩擦。長(zhǎng)期處于這種狀態(tài)下，電容的失效率會(huì)提高，進(jìn)而影響整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。

案例分析

筆記本電腦中的電容嘯叫問(wèn)題

在筆記本電腦中，電源電路上的陶瓷電容嘯叫問(wèn)題較為常見(jiàn)。當(dāng)筆記本電腦處于睡眠狀態(tài)、待機(jī)畫(huà)面等特定工作模式時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器可能處于脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式，液晶背光的升壓轉(zhuǎn)換器可能采用脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光，這些情況下都容易引發(fā)電容嘯叫。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，容易產(chǎn)生嘯叫的電容器通常具有尺寸較大、靜電容量較高、承受的線電壓和電壓變化(電流變化)較大等特征。例如，為 CPU、攝像頭、RF 模塊等各電路供電時(shí)，電壓頻繁變動(dòng)，大尺寸和高靜電容量的電容器在電壓作用下，介電質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著的膨脹和收縮，從而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)并發(fā)聲。

鋰電池充電電路板的電容嘯叫案例

在設(shè)計(jì)鋰電池充電電路板時(shí)，也可能遭遇電容嘯叫問(wèn)題。在某一版鋰電池充電電路板設(shè)計(jì)中，當(dāng)電路工作在特定負(fù)載條件下，會(huì)發(fā)出明顯的 “嘯叫” 聲。起初，難以準(zhǔn)確定位異響源，后來(lái)借助機(jī)械故障聽(tīng)診器，發(fā)現(xiàn)異響最大的地方集中在輸出電容附近。使用示波器測(cè)量輸出紋波，發(fā)現(xiàn)紋波幅度高達(dá) 1Vpp@126Hz。這種低頻紋波導(dǎo)致電容內(nèi)部介質(zhì)振動(dòng)，產(chǎn)生可聞噪聲(即 “陶瓷電容嘯叫”)，同時(shí)帶動(dòng)整塊 PCB 共振，放大了異響。

解決陶瓷電容嘯叫的措施

電容選型優(yōu)化

00001. 選擇無(wú)噪聲或低噪聲電容：優(yōu)先選用順電陶瓷電容、鉭電容、鋁電解電容和薄膜電容等不具有壓電效應(yīng)的電容器替代容易嘯叫的 MLCC 電容。但在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮體積空間、可靠性和成本等因素。例如，鉭電容雖然性能較好，但成本較高且存在一定的爆炸風(fēng)險(xiǎn);鋁電解電容體積較大，可能不適合對(duì)空間要求苛刻的設(shè)備。

00002. 減小電容容值或使用更低 ESR 電容：較大容值的電容器在充電和放電時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生更多的電流涌入和電流離開(kāi)，增加嘯叫的可能性。如果電路允許，可以嘗試減小電容器的容值，以降低電流波動(dòng)。同時(shí)，使用具有較低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容器，也可以減少電流波動(dòng)，從而降低嘯叫的可能性。

電路板布局優(yōu)化

00003. 調(diào)整電容擺放角度：將引起嘯叫的電容在同一面以不同的角度擺放，或者將其在正反兩面正對(duì)著擺放。這樣，當(dāng)電容因壓電效應(yīng)發(fā)生形變時(shí)，其產(chǎn)生的振動(dòng)可以相互抵消一部分，從而抑制或者抵消 PCB 的形變，降低嘯叫的聲音。

00004. 選擇帶支架的電容器：采用帶支架的電容器，使 MLCC 與 PCB 板隔空，把逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的形變通過(guò)金屬支架彈性緩沖，減少對(duì) PCB 板的作用，有效地降低噪聲。不過(guò)，這種方法會(huì)增加成本。

電路參數(shù)調(diào)整

00005. 優(yōu)化輕載模式設(shè)置：電容嘯叫現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在開(kāi)關(guān)電源芯片的輕載模式。在輕載模式下，芯片一般會(huì)進(jìn)入節(jié)能模式，此時(shí)系統(tǒng)處于半開(kāi)環(huán)模式，芯片監(jiān)控反饋電壓但不實(shí)時(shí)響應(yīng)，只有當(dāng)輸出電壓低于閾值時(shí)，才會(huì)發(fā)送幾個(gè) PWM 脈沖。這導(dǎo)致輸出電壓的紋波電壓較大，同時(shí)流過(guò)電容的交流電頻率比較離散，容易發(fā)生嘯叫事件。因此，合理設(shè)置輕載模式與正常 PWM 模式切換的閾值非常重要。例如，在系統(tǒng)進(jìn)入休眠之前，由軟件設(shè)置芯片進(jìn)入輕載模式;當(dāng)系統(tǒng)從休眠模式被喚醒，軟件及時(shí)將電源設(shè)置為強(qiáng)制 PWM 模式。

00006. 避免環(huán)路不穩(wěn)定：“多余” 的電容可能會(huì)引起環(huán)路不穩(wěn)定，導(dǎo)致嘯叫，可嘗試移除一些 “可有可無(wú)” 的電容。此外，過(guò)大的輸出電容會(huì)導(dǎo)致相位裕量過(guò)大，延緩進(jìn)入 PWM 模式的時(shí)機(jī)，嘗試適當(dāng)減小相位裕量，也有助于解決電容嘯叫問(wèn)題。

陶瓷電容嘯叫是一個(gè)在電子設(shè)備設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中不容忽視的問(wèn)題。通過(guò)深入了解其產(chǎn)生的原理，認(rèn)識(shí)到它對(duì)用戶體驗(yàn)和設(shè)備可靠性的影響，并結(jié)合實(shí)際案例采取針對(duì)性的解決措施，如優(yōu)化電容選型、改進(jìn)電路板布局和合理調(diào)整電路參數(shù)等，能夠有效地降低甚至消除電容嘯叫現(xiàn)象，提升電子設(shè)備的性能和用戶滿意度。