干貨 | MLCC為什么會嘯叫？

2021年5月6日 15:54
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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……

干貨 | MLCC為什么會嘯叫？的圖1
筆記本電腦電源電路的嘯叫示例部位：

干貨 | MLCC為什么會嘯叫？的圖2

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。

干貨 | MLCC為什么會嘯叫？的圖3

MLCC發出嘯叫聲音，即是說，MLCC在電壓作用下發生幅度較大的振動（微觀的較大，小于1nm）。
干貨 | MLCC為什么會嘯叫？的圖4
MLCC為什么會振動？我們要先了解一種自然現象——電致伸縮。 在外電場作用下，所有的物質都會產生伸縮形變——電致伸縮。

對于某些高介電常數的鐵電材料，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。

干貨 | MLCC為什么會嘯叫？的圖5

片狀獨石電容器由于強介電常數的陶瓷的壓電特性，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材料施加機械壓力，介質晶體會發生結構重組排布，材料表面會感應出電荷，產生電位差。
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正壓電效應—外力作用產生電荷

逆壓電效應 對具有壓電特性的介質材料施加電壓，則產生機械應力，發生形變。
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逆壓電效應—電壓作用產生形變

壓電效應的學術定義：“在沒有對稱中心的晶體上施加壓力、張力和切向力時，則發生與應力成比例的介質極化，同時在晶體兩端面將出現正、負電荷，這一現象稱為正壓電效應。

反之在晶體上施加電場而引起極化，則產生與電場強度成比例的變形或機械應力，這一現象稱為逆壓電效應。這兩種正、逆壓電效應統稱為壓電效應?！?/span>
干貨 | MLCC為什么會嘯叫？的圖8
陶瓷介質是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為壓電效應，則會產生振動。

所有MLCC都會嘯叫嗎？ MLCC設計制造陶瓷介質材料主要有順電介質和鐵電介質兩大類。

順電介質又稱I類介質，主要有SrZrO3、MgTiO3等。順電介質電致伸縮形變很小，在工作電壓下，不足以產生噪聲。

所以，順電介質(I類介質)材料做的MLCC，如NPO（COG）等溫度穩定性產品，就不會產生噪聲嘯叫。

鐵電介質又稱II類介質，主要BaTiO3、BaSrTiO3等。鐵電介質具有強烈的電致伸縮特性—壓電效應。

因此，鐵電介質（II類介質）做的MLCC，如X7R/X5R特性產品，在較大的交流電場強度作用下會產生明顯的噪聲嘯叫。

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如上所示，X7R-MLCC兩端加上大幅度變化電壓后，BaTiO3陶瓷產生逆壓電效應，MLCC形變振動并傳遞到PCB板上發生共振。

當電壓信號的頻率在20Hz~20kHz人耳聽覺范圍內，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，介質越薄，壓電效應越強，嘯叫聲音越大。
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額定電壓由MLCC的材質和介質厚度決定的，劇烈的嘯叫表示對當前工作電壓所選用的MLCC介質厚度過薄，應當考慮選用介質更厚，額定電壓更高的MLCC。

對于鐵電陶瓷，在交變電場作用下，還存在鐵電疇交替轉向內摩擦方面的問題，交變場強大，內摩擦嚴重，失效機率上升。這可在嘯叫聲音的大小上反映出來的。
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解決嘯叫的對策降低MLCC電容器產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電極的，這部分的BaTiO3陶瓷不會發生形變，當兩端的焊錫高度不超過底保護層厚度，這時產生的形變對PCB影響要小，有效地降低噪聲。
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2）附加金屬支架結構結構圖如下，它采用金屬支架把MLCC芯片架空。
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MLCC與PCB板隔空，把逆壓電效應產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和溫度特性，得到壓電效應大大減弱的介質材料，用其制造的MLCC可有效的降低噪聲。各大MLCC廠家，都有相應低噪材質的MLCC產品系列。
干貨 | MLCC為什么會嘯叫？的圖14 干貨 | MLCC為什么會嘯叫？的圖15

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