MLCC為什么會嘯叫？怎么解決嘯叫？
[導讀]MLCC——多層片式陶瓷電容器，簡稱貼片電容，會引起噪聲嘯叫問題……筆記本電腦電源電路的嘯叫示例部位隨著人們對電子設備的需求趨于平靜，在筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機(DSC)等各種應用設備的電源電路方面，以前未引起重視的由電容器振動所產(chǎn)生的“嘯叫”問題已成為設計方面的課題。聲音源于...
MLCC——多層片式陶瓷電容器，簡稱貼片電容，會引起噪聲嘯叫問題……
筆記本電腦電源電路的嘯叫示例部位
隨著人們對電子設備的需求趨于平靜，在筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機 (DSC) 等各種應用設備的電源電路方面，以前未引起重視的由電容器振動所產(chǎn)生的“嘯叫”問題已成為設計方面的課題。
聲音源于物體振動，振動頻率為20Hz~20 kHz的聲波能被人耳識別。
MLCC發(fā)出嘯叫聲音，即是說，MLCC在電壓作用下發(fā)生幅度較大的振動（微觀的較大，小于1nm）。
MLCC為什么會振動？
我們要先了解一種自然現(xiàn)象——電致伸縮。
在外電場作用下，所有的物質(zhì)都會產(chǎn)生伸縮形變——電致伸縮。
對于某些高介電常數(shù)的鐵電材料，電致伸縮效應劇烈，稱為——壓電效應。
壓電效應包括正壓電效應和逆壓電效應
?小結(jié)：嘯叫原理
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正壓電效應
對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加機械壓力，介質(zhì)晶體會發(fā)生結(jié)構(gòu)重組排布，材料表面會感應出電荷，產(chǎn)生電位差。
逆壓電效應
對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加電壓，則產(chǎn)生機械應力，發(fā)生形變。
壓電效應的學術(shù)定義：
“在沒有對稱中心的晶體上施加壓力、張力和切向力時，則發(fā)生與應力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體兩端面將出現(xiàn)正、負電荷，這一現(xiàn)象稱為正壓電效應。反之在晶體上施加電場而引起極化，則產(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應力，這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應。這兩種正、逆壓電效應統(tǒng)稱為壓電效應?！?br>
陶瓷介質(zhì)是MLCC主要組成部分，電壓作用下，電致伸縮不可避免。如電致伸縮強烈表現(xiàn)為壓電效應，則會產(chǎn)生振動。
所有MLCC都會嘯叫嗎？
MLCC設計制造陶瓷介質(zhì)材料主要有順電介質(zhì)和鐵電介質(zhì)兩大類。
順電介質(zhì)又稱I類介質(zhì)，主要有SrZrO3、MgTiO3等。
順電介質(zhì)電致伸縮形變很小，在工作電壓下，不足以產(chǎn)生噪聲。
所以，順電介質(zhì)(I類介質(zhì))材料做的MLCC，如NPO（COG）等溫度穩(wěn)定性產(chǎn)品，就不會產(chǎn)生噪聲嘯叫。
鐵電介質(zhì)又稱II類介質(zhì)，主要BaTiO3、BaSrTiO3等。
鐵電介質(zhì)具有強烈的電致伸縮特性—壓電效應。
因此，鐵電介質(zhì)（II類介質(zhì)）做的MLCC，如X7R/X5R特性產(chǎn)品，在較大的交流電場強度作用下會產(chǎn)生明顯的噪聲嘯叫。
如上所示，X7R-MLCC兩端加上大幅度變化電壓后，BaTiO3陶瓷產(chǎn)生逆壓電效應，MLCC形變振動并傳遞到PCB板上發(fā)生共振。
當電壓信號的頻率在20Hz~20kHz人耳聽覺范圍內(nèi)，則能聽到電容在嘯叫。
哪些場合MLCC嘯叫明顯?
較大的交變電壓，頻率在20Hz到20kHz之間，使用X7R/X5R類中高容量MLCC，會產(chǎn)生明顯的嘯叫，如開關電源、高頻電源等場合。
嘯叫的危害
許多移動電子設備靠近人耳，如：筆記本電腦、平板電腦、智能手機等，如電子電路中有可聽噪聲會影響使用感受。
劇烈的嘯叫除了令人生厭外，還可能存在著可靠性設計不足的隱患。
劇烈的嘯叫源于劇烈的振動，振動幅度由壓電效應程度決定。
壓電效應與電場強度成正比，外加電壓不變，介質(zhì)越薄，壓電效應越強，嘯叫聲音越大。
額定電壓由MLCC的材質(zhì)和介質(zhì)厚度決定的，劇烈的嘯叫表示對當前工作電壓所選用的MLCC介質(zhì)厚度過薄，應當考慮選用介質(zhì)更厚，額定電壓更高的MLCC。
對鐵電陶瓷，在交變電場作用下，還存在鐵電疇交替轉(zhuǎn)向內(nèi)摩擦方面的問題，交變場強大，內(nèi)摩擦嚴重，失效機率上升。這可在嘯叫聲音的大小上反映出來的。
解決嘯叫的對策
降低MLCC電容器產(chǎn)生的可聽噪聲的方法有很多，所有解決方案都會增加成本。
1、改變電容器類型是最直接的方法，用順電陶瓷電容、鉭電容和薄膜電容等不具有壓電效應的電容器替代。但需要考慮體積空間、可靠性和成本等問題。
2、調(diào)整電路，將加在MLCC大的交變電壓消除或者將其頻率移出人耳聽感頻段 (人耳最敏感音頻為1KHz~3KHz)。
3、注意PCB布局、PCB板規(guī)格，幫助降低嘯叫水平。
4、選用無噪聲或低噪聲的MLCC。
無噪/低噪聲MLCC的設計
目前針對MLCC的嘯叫現(xiàn)象，設計解決措施有三種。
（1）加厚底部保護層
由于保護層厚度部分是沒有內(nèi)電極的，這部分的BaTiO3陶瓷不會發(fā)生形變，當兩端的焊錫高度不超過底保護層厚度，這時產(chǎn)生的形變對PCB影響要小，有效地降低噪聲。
（2）附加金屬支架結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)圖如下，它采用金屬支架把MLCC芯片架空。
MLCC與PCB板隔空，把逆壓電效應產(chǎn)生形變通過金屬支架彈性緩沖，減少對PCB板的作用，有效的降低噪聲。
（3）使用壓電效應弱的介質(zhì)材料設計制造
通過對鈦酸鋇（BaTiO3）進一步摻雜犧牲一定的介電常數(shù)和溫度特性，得到壓電效應大大減弱的介質(zhì)材料，用其制造的MLCC可有效的降低噪聲。
各大MLCC廠家，都有相應低噪材質(zhì)的MLCC產(chǎn)品系列。
END
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筆記本電腦電源電路的嘯叫示例部位
隨著人們對電子設備的需求趨于平靜，在筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機 (DSC) 等各種應用設備的電源電路方面，以前未引起重視的由電容器振動所產(chǎn)生的“嘯叫”問題已成為設計方面的課題。
聲音源于物體振動，振動頻率為20Hz~20 kHz的聲波能被人耳識別。
MLCC發(fā)出嘯叫聲音，即是說，MLCC在電壓作用下發(fā)生幅度較大的振動（微觀的較大，小于1nm）。
MLCC為什么會振動？
我們要先了解一種自然現(xiàn)象——電致伸縮。
在外電場作用下，所有的物質(zhì)都會產(chǎn)生伸縮形變——電致伸縮。
對于某些高介電常數(shù)的鐵電材料，電致伸縮效應劇烈，稱為——壓電效應。
壓電效應包括正壓電效應和逆壓電效應
?小結(jié)：嘯叫原理
? ?
- 片狀獨石電容器由于強介電常數(shù)的陶瓷的壓電特性，在施加交流電壓的情況下，像如圖2所示進行收縮。
- 結(jié)果如圖3所示，電路板將朝平面方向振動。(芯片及電路板的振幅僅為1pm～1nm左右)
- 該電路板的振幅周期在達到人們能夠聽到的頻率帶 (20Hz～20kHz) 時，聲音可通過人耳識別。
正壓電效應
對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加機械壓力，介質(zhì)晶體會發(fā)生結(jié)構(gòu)重組排布，材料表面會感應出電荷，產(chǎn)生電位差。
逆壓電效應
對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加電壓，則產(chǎn)生機械應力，發(fā)生形變。
壓電效應的學術(shù)定義：
“在沒有對稱中心的晶體上施加壓力、張力和切向力時，則發(fā)生與應力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體兩端面將出現(xiàn)正、負電荷，這一現(xiàn)象稱為正壓電效應。反之在晶體上施加電場而引起極化，則產(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應力，這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應。這兩種正、逆壓電效應統(tǒng)稱為壓電效應?！?br>
陶瓷介質(zhì)是MLCC主要組成部分，電壓作用下，電致伸縮不可避免。如電致伸縮強烈表現(xiàn)為壓電效應，則會產(chǎn)生振動。
所有MLCC都會嘯叫嗎？
MLCC設計制造陶瓷介質(zhì)材料主要有順電介質(zhì)和鐵電介質(zhì)兩大類。
順電介質(zhì)又稱I類介質(zhì)，主要有SrZrO3、MgTiO3等。
順電介質(zhì)電致伸縮形變很小，在工作電壓下，不足以產(chǎn)生噪聲。
所以，順電介質(zhì)(I類介質(zhì))材料做的MLCC，如NPO（COG）等溫度穩(wěn)定性產(chǎn)品，就不會產(chǎn)生噪聲嘯叫。
鐵電介質(zhì)又稱II類介質(zhì)，主要BaTiO3、BaSrTiO3等。
鐵電介質(zhì)具有強烈的電致伸縮特性—壓電效應。
因此，鐵電介質(zhì)（II類介質(zhì)）做的MLCC，如X7R/X5R特性產(chǎn)品，在較大的交流電場強度作用下會產(chǎn)生明顯的噪聲嘯叫。
如上所示，X7R-MLCC兩端加上大幅度變化電壓后，BaTiO3陶瓷產(chǎn)生逆壓電效應，MLCC形變振動并傳遞到PCB板上發(fā)生共振。
當電壓信號的頻率在20Hz~20kHz人耳聽覺范圍內(nèi)，則能聽到電容在嘯叫。
哪些場合MLCC嘯叫明顯?
較大的交變電壓，頻率在20Hz到20kHz之間，使用X7R/X5R類中高容量MLCC，會產(chǎn)生明顯的嘯叫，如開關電源、高頻電源等場合。
嘯叫的危害
許多移動電子設備靠近人耳，如：筆記本電腦、平板電腦、智能手機等，如電子電路中有可聽噪聲會影響使用感受。
劇烈的嘯叫除了令人生厭外，還可能存在著可靠性設計不足的隱患。
劇烈的嘯叫源于劇烈的振動，振動幅度由壓電效應程度決定。
壓電效應與電場強度成正比，外加電壓不變，介質(zhì)越薄，壓電效應越強，嘯叫聲音越大。
額定電壓由MLCC的材質(zhì)和介質(zhì)厚度決定的，劇烈的嘯叫表示對當前工作電壓所選用的MLCC介質(zhì)厚度過薄，應當考慮選用介質(zhì)更厚，額定電壓更高的MLCC。
對鐵電陶瓷，在交變電場作用下，還存在鐵電疇交替轉(zhuǎn)向內(nèi)摩擦方面的問題，交變場強大，內(nèi)摩擦嚴重，失效機率上升。這可在嘯叫聲音的大小上反映出來的。
解決嘯叫的對策
降低MLCC電容器產(chǎn)生的可聽噪聲的方法有很多，所有解決方案都會增加成本。
1、改變電容器類型是最直接的方法，用順電陶瓷電容、鉭電容和薄膜電容等不具有壓電效應的電容器替代。但需要考慮體積空間、可靠性和成本等問題。
2、調(diào)整電路，將加在MLCC大的交變電壓消除或者將其頻率移出人耳聽感頻段 (人耳最敏感音頻為1KHz~3KHz)。
3、注意PCB布局、PCB板規(guī)格，幫助降低嘯叫水平。
4、選用無噪聲或低噪聲的MLCC。
無噪/低噪聲MLCC的設計
目前針對MLCC的嘯叫現(xiàn)象，設計解決措施有三種。
（1）加厚底部保護層
由于保護層厚度部分是沒有內(nèi)電極的，這部分的BaTiO3陶瓷不會發(fā)生形變，當兩端的焊錫高度不超過底保護層厚度，這時產(chǎn)生的形變對PCB影響要小，有效地降低噪聲。
（2）附加金屬支架結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)圖如下，它采用金屬支架把MLCC芯片架空。
MLCC與PCB板隔空，把逆壓電效應產(chǎn)生形變通過金屬支架彈性緩沖，減少對PCB板的作用，有效的降低噪聲。
（3）使用壓電效應弱的介質(zhì)材料設計制造
通過對鈦酸鋇（BaTiO3）進一步摻雜犧牲一定的介電常數(shù)和溫度特性，得到壓電效應大大減弱的介質(zhì)材料，用其制造的MLCC可有效的降低噪聲。
各大MLCC廠家，都有相應低噪材質(zhì)的MLCC產(chǎn)品系列。
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