電容嘯叫
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2022-04-01
電容嘯叫的實(shí)例教程
另一個(gè)是隱含的一個(gè)狀態(tài)，在項(xiàng)目初期，系統(tǒng)往往不穩(wěn)定，負(fù)載在正常和低功耗模式之間反復(fù)切換，電源也容易在PWM和PFM兩個(gè)模式之間反復(fù)切換，這個(gè)切換的時(shí)隙，這也可能引起嘯叫，需要軟件優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免負(fù)載工作模式異常切換來避免嘯叫。
4. BUCK電感的飽和電流選取不合適時(shí)，有可能使得輸出電流增加，會(huì)誤觸發(fā)電源進(jìn)入過流保護(hù)，電源在正常工作模式和過流保護(hù)模式之間反復(fù)切換，有稱打嗝模式，也有一定可能性引起嘯叫，電感選取一定要合適。
5. 開關(guān)電源本身紋波就大，多相開關(guān)電源具有紋波小、電流大的優(yōu)點(diǎn)，通過交錯(cuò)相位，可以有效減小電源的紋波進(jìn)而抑制嘯叫。
6. 抑制嘯叫，除了上述軟件、參數(shù)、架構(gòu)的修改之外，一個(gè)典型的方案是使用抗嘯叫電容，比如村田KRM系列和ZRB系列。
其特殊的結(jié)構(gòu)可降低電容器的嘯叫現(xiàn)象，可吸收由熱量和機(jī)械沖擊引起的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)高可靠性。相比于Ta電容，抗嘯叫MLCC電壓變動(dòng)⊿V比初期小7～22%。
7. 在布局的時(shí)候，也可以優(yōu)化布局，電容彼此之間交錯(cuò)排列，抑制振動(dòng)。
8. 甚至有的人提出了在電容旁邊挖槽，緩解嘯叫的方案。
以上就是電容嘯叫的原理以及規(guī)避建議。
展開 嘯叫是指聽到來自PCB板的類似“嘰”或“吱”聲音的現(xiàn)象。例如，聽說有的便攜設(shè)備用的廉價(jià)充電器發(fā)出相當(dāng)大的嘯叫音。
可能有些設(shè)備或環(huán)境即使產(chǎn)生了嘯叫也未注意到，或者是不在意的現(xiàn)象，但如果在就寢時(shí)的安靜環(huán)境中，應(yīng)該可以注意到便攜設(shè)備充電器等的嘯叫聲。另外，音頻設(shè)備等聽到在播放聲音之外的聲音就是比較嚴(yán)重的問題了。
首先，講解一下嘯叫的機(jī)理。
高介電常數(shù)的陶瓷電容器具有給電介質(zhì)施加電壓時(shí)，電介質(zhì)變形(失真)的特性。這是壓電效應(yīng)的相反現(xiàn)象，被稱為“逆壓電效應(yīng)”。此外，有時(shí)也將具有這種特性表達(dá)為“壓電性”或“逆壓電性”。如果施加的是DC電壓，則僅產(chǎn)生相應(yīng)的失真，而如果是有振幅的電壓，則使MLCC周期性地變形并引起PCB板振動(dòng)。如果其頻率是可聽頻段20Hz～20kHz，就可聽到聲音。
上圖是更具體的示意圖，表示施加電壓與MLCC變形的關(guān)系。從開關(guān)電源考慮，輸出電壓是DC，包括開關(guān)頻率引起的紋波電壓。輸出紋波誘發(fā)被用作輸出電容器的MLCC的振動(dòng)。
在PCB板中，由于在MLCC兩端的電極為焊接，電極間的長度方向的變形(圖中藍(lán)色的雙箭頭)使PCB板表面(圖中黃綠色的雙箭頭)變形，如此反復(fù)導(dǎo)致振動(dòng)。該振動(dòng)通過PCB板的傳導(dǎo)被放大，成為人耳能聽到的程度的音壓是嘯叫。當(dāng)然，條件是振動(dòng)的頻率為可聽頻段。
嘯叫是種典型的現(xiàn)象，有怎樣的對(duì)策呢?
嘯叫不僅與電介質(zhì)材料和電容器的形狀有關(guān)，也與PCB板的尺寸和安裝狀態(tài)等有關(guān)，實(shí)際上需要進(jìn)行電容器自身的對(duì)策和布局兩方面的探討。不管怎樣，讓嘯叫完全消失是相當(dāng)難的，可采用改善到容許范圍內(nèi)的方法。在此介紹4個(gè)對(duì)策。
①通過材料進(jìn)行改善
開發(fā)出使用了逆壓電效應(yīng)很低、即變形較小的電介質(zhì)材料的MLCC。
展開 嘯叫是指聽到來自PCB板的類似“嘰”或“吱”聲音的現(xiàn)象。例如，聽說有的便攜設(shè)備用的廉價(jià)充電器發(fā)出相當(dāng)大的嘯叫音。
可能有些設(shè)備或環(huán)境即使產(chǎn)生了嘯叫也未注意到，或者是不在意的現(xiàn)象，但如果在就寢時(shí)的安靜環(huán)境中，應(yīng)該可以注意到便攜設(shè)備充電器等的嘯叫聲。另外，音頻設(shè)備等聽到在播放聲音之外的聲音就是比較嚴(yán)重的問題了。
首先，講解一下嘯叫的機(jī)理。
高介電常數(shù)的陶瓷電容器具有給電介質(zhì)施加電壓時(shí)，電介質(zhì)變形（失真）的特性。這是壓電效應(yīng)的相反現(xiàn)象，被稱為“逆壓電效應(yīng)”。此外，有時(shí)也將具有這種特性表達(dá)為“壓電性”或“逆壓電性”。如果施加的是DC電壓，則僅產(chǎn)生相應(yīng)的失真，而如果是有振幅的電壓，則使MLCC周期性地變形并引起PCB板振動(dòng)。如果其頻率是可聽頻段20Hz～20kHz，就可聽到聲音。
上圖是更具體的示意圖，表示施加電壓與MLCC變形的關(guān)系。從開關(guān)電源考慮，輸出電壓是DC，包括開關(guān)頻率引起的紋波電壓。輸出紋波誘發(fā)被用作輸出電容器的MLCC的振動(dòng)。
在PCB板中，由于在MLCC兩端的電極為焊接，電極間的長度方向的變形（圖中藍(lán)色的雙箭頭）使PCB板表面（圖中黃綠色的雙箭頭）變形，如此反復(fù)導(dǎo)致振動(dòng)。該振動(dòng)通過PCB板的傳導(dǎo)被放大，成為人耳能聽到的程度的音壓是嘯叫。當(dāng)然，條件是振動(dòng)的頻率為可聽頻段。
嘯叫是種典型的現(xiàn)象，有怎樣的對(duì)策呢？
嘯叫不僅與電介質(zhì)材料和電容器的形狀有關(guān)，也與PCB板的尺寸和安裝狀態(tài)等有關(guān)，實(shí)際上需要進(jìn)行電容器自身的對(duì)策和布局兩方面的探討。不管怎樣，讓嘯叫完全消失是相當(dāng)難的，可采用改善到容許范圍內(nèi)的方法。在此介紹4個(gè)對(duì)策。
①通過材料進(jìn)行改善
開發(fā)出使用了逆壓電效應(yīng)很低、即變形較小的電介質(zhì)材料的MLCC。基本上如右圖所示，低介電常數(shù)材料的失真更低。
展開 所以也要從電源或者負(fù)載的角度，來優(yōu)化PFM工作時(shí)間歇性脈沖的工作頻率，避免嘯叫。
3. 另一個(gè)是隱含的一個(gè)狀態(tài)，在項(xiàng)目初期，系統(tǒng)往往不穩(wěn)定，負(fù)載在正常和低功耗模式之間反復(fù)切換，電源也容易在PWM和PFM兩個(gè)模式之間反復(fù)切換，這個(gè)切換的時(shí)隙，這也可能引起嘯叫，需要軟件優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免負(fù)載工作模式異常切換來避免嘯叫。
4. BUCK電感的飽和電流選取不合適時(shí)，有可能使得輸出電流增加，會(huì)誤觸發(fā)電源進(jìn)入過流保護(hù)，電源在正常工作模式和過流保護(hù)模式之間反復(fù)切換，有稱打嗝模式，也有一定可能性引起嘯叫，電感選取一定要合適。
5. 開關(guān)電源本身紋波就大，多相開關(guān)電源具有紋波小、電流大的優(yōu)點(diǎn)，通過交錯(cuò)相位，可以有效減小電源的紋波進(jìn)而抑制嘯叫。
6. 抑制嘯叫，除了上述軟件、參數(shù)、架構(gòu)的修改之外，一個(gè)典型的方案是使用抗嘯叫電容，比如村田KRM系列和ZRB系列。
其特殊的結(jié)構(gòu)可降低電容器的嘯叫現(xiàn)象，可吸收由熱量和機(jī)械沖擊引起的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)高可靠性。相比于Ta電容，抗嘯叫MLCC電壓變動(dòng)⊿V比初期小7～22%。
7. 在布局的時(shí)候，也可以優(yōu)化布局，電容彼此之間交錯(cuò)排列，抑制振動(dòng)。
8. 甚至有的人提出了在電容旁邊挖槽，緩解嘯叫的方案。
以上就是電容嘯叫的原理以及規(guī)避建議。
展開 所有MLCC都會(huì)嘯叫嗎？
MLCC設(shè)計(jì)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(huì)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(qiáng)烈的電致伸縮特性—壓電效應(yīng)。
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(chǎng)強(qiáng)度作用下會(huì)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(yīng)，MLCC形變振動(dòng)并傳遞到PCB板上發(fā)生共振。
當(dāng)電壓信號(hào)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(chǎng)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(huì)產(chǎn)生明顯的嘯叫，如開關(guān)電源、高頻電源等場(chǎng)合。
嘯叫的危害
許多移動(dòng)電子設(shè)備靠近人耳，如：筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)等，如電子電路中有可聽噪聲會(huì)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(shè)計(jì)不足的隱患。
劇烈的嘯叫源于劇烈的振動(dòng)，振動(dòng)幅度由壓電效應(yīng)程度決定。
壓電效應(yīng)與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，外加電壓不變，介質(zhì)越薄，壓電效應(yīng)越強(qiáng)，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(duì)當(dāng)前工作電壓所選用的MLCC介質(zhì)厚度過薄，應(yīng)當(dāng)考慮選用介質(zhì)更厚，額定電壓更高的MLCC。
對(duì)鐵電陶瓷，在交變電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)大，內(nèi)摩擦嚴(yán)重，失效機(jī)率上升。
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另外，嘯叫對(duì)于疊層陶瓷電容器自身的可靠性有不良影響嗎?例如，如果響聲不是問題，可以對(duì)響聲置之不理地繼續(xù)使用下去嗎?
嘯叫被認(rèn)為對(duì)MLCC自身沒有影響。MLCC自身的振動(dòng)非常小，僅為微米～納米級(jí)別。相比之下，利用壓電效應(yīng)的壓電蜂鳴器和陶瓷振蕩器等，是積極的利用了高達(dá)幾十倍振動(dòng)的產(chǎn)品，具有充分的可靠性。從這點(diǎn)看也可以理解MLCC的逆壓電效應(yīng)對(duì)可靠性并沒有特別的影響。
以上就是電容嘯叫的原理以及規(guī)避建議。
另外，嘯叫對(duì)于疊層陶瓷電容器自身的可靠性有不良影響嗎？例如，如果響聲不是問題，可以對(duì)響聲置之不理地繼續(xù)使用下去嗎？
嘯叫被認(rèn)為對(duì)MLCC自身沒有影響。MLCC自身的振動(dòng)非常小，僅為微米～納米級(jí)別。相比之下，利用壓電效應(yīng)的壓電蜂鳴器和陶瓷振蕩器等，是積極的利用了高達(dá)幾十倍振動(dòng)的產(chǎn)品，具有充分的可靠性。從這點(diǎn)看也可以理解MLCC的逆壓電效應(yīng)對(duì)可靠性并沒有特別的影響。
以上就是電容嘯叫的原理以及規(guī)避建議。
陶瓷電容器的"嘯叫"現(xiàn)象，其振動(dòng)變化僅為1pm～1nm左右，為壓電應(yīng)用產(chǎn)品的1/10至幾十分之一，非常之小，因此我們可以判斷這種現(xiàn)象對(duì)獨(dú)石陶瓷電容器本身及周圍元器件產(chǎn)生的影響，不存在可靠性問題。
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1.材料類專業(yè)就業(yè)解析！
當(dāng)電壓信號(hào)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(chǎng)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(huì)產(chǎn)生明顯的嘯叫，如開關(guān)電源、高頻電源等場(chǎng)合。
當(dāng)電壓信號(hào)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(chǎng)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(huì)產(chǎn)生明顯的嘯叫，如開關(guān)電源、高頻電源等場(chǎng)合。
嘯叫的危害
許多移動(dòng)電子設(shè)備靠近人耳，如：筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)等，如電子電路中有可聽噪聲會(huì)影響使用感受。
