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MLCC电容啸叫的原因

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sinasun|  楼主 | 2023-2-19 17:02 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
随着笔记本电脑和手机的普及,电容的啸叫问题也越来越多收到人们的关注。需要优化电源架构,让电容啸叫成为历史。对于陶瓷电容-MLCC啸叫主要是陶瓷的压电效应引起的,MLCC电容由于特殊的结构:由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片。当施加在两端的电场变换时,可以引起成比例的机械应力的变化。这就是通常讨论的逆压电效应,由电场变化产生力的变化。一旦震动频率落入人耳朵听觉范围的时候,就会产生噪音,这就是所谓的啸叫。另一种由力的变化产生电场的过程,就是正压电效应。下图是展示的电容逆压电效应,施加交流电后,电路板将朝平面方向振动。(芯片及电路板的振幅仅为1pm1nm左右)
现在嵌入式智能产品,对电源要求越来越高。所以在电源网络上会并联大量的MMLCC电容,比如BuckBoostBuck-Boost架构的电源。当设计不良异常或负载本身的工作模式异常时,就容易产生啸叫。尤其笔记本电脑在由轻载切换为重载的时候,比较容易听到啸叫声音。在手机产品中,对于GSM所用的射频PA电源,这种电源由于是动态负载,功率波动大,功率波动的频率是典型的217Hz。正好是人耳可以察觉的听觉范围。要是手机设计的不好,在夜深人静的时候,加上信号弱,需要频繁的注网,用户很有可能听到电容啸叫。
对于要消除电容啸叫,常见的方法就是开关频率规避,将电源的开关频率设计在远离人耳能听到的频率范围。就能避免在开关周期,给电容充放电的开关频率进入人耳的范围内。通过LT3703的开关电源仿真,电容C1的充放电电流的波形频率和开关频率是一样的,这个频率进入人耳范围,就能听到。
上面电源是CCM模式,是重载模式。当工作在轻载模式,电源芯片会进入PFM模式,电源芯片就不会像CCM模式那样按照设定的开关频率工作,就会间歇性的工作.间歇性输出几个脉冲,这个间歇脉冲的频率间隔,就很有可能被人耳听到。因此在轻载和空载的时候,设计好PFM模式下的脉冲频率间隔。避免啸叫。
但只要逆压电效应,只要产生的形变不损害电容本体,有啸叫也不是很大的问题。因为要消除这种啸叫需要付出更大的成本。比如附加金属支架结构结构图如下,它采用金属支架把MLCC芯片架空。
也可以使用使用压电效应弱的介质材料设计制造通过对钛酸钡(BaTiO3)进一步掺杂牺牲一定的介电常数和温度特性,得到压电效应大大减弱的介质材料,用其制造的MLCC可有效的降低噪声。这些都为电路板的设计增加了成本。还可以选用softterminal端子的电容,比如TDK的软终端电容器具有吸收外部应力而保护其陶瓷体的导电树脂端接层。这些软终端电容器在使用无铅焊料时还可防止出现脆性焊点。也可以降低逆压电效应产生的形变。下面的电容都具有这种特性。
电容产生啸叫的原因,也有可能是电感选择的不合适,电感的饱和电流值不合适,增加输出电流,触发电源芯片进入OCP,使得电源在正常的工作模式和OCP模式之间反复切换。造成流过电容的充放电电流频率在20Hz20KHz,从而被人耳听到。
现在很多电容厂家从材料工艺改进,改善电容的长度宽度比,推出了无啸叫的电容,对于要求高的产品,可以使用。


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