降低MLCC压电效应和可听噪声

作者: Nicolas Guibourg

MLCC(或者陶瓷电容器)因其低成本和小体积而在电子电路中得到日益广泛的使用，但是由于需要处理的电子器件越来越多，它们固有的压力效应(表现为可听噪声)便成为一个问题。

相比常用钽电解质电容器，MLCC(多层陶瓷电容器)具有许多优势，具体如下：非常低的等效串联电阻(ESR)；非常低的等效串联电感(ESL)，小尺寸；更低老化度，电介质高可靠性。

但是，与所有铁电体电介质一样，它受压电效应影响：某些材料由于机械变形在表面产生电势或者电场。如果这种电介质承受不同的电场强度，并且其工作频率处在人耳可听频率范围内(20 Hz – 20 kHz)，则电容器会产生噪声，也即所谓的可听噪声。

在大多数情况下，MLCC本身并不足以产生有问题的或者破坏性的声压级(SPL)。但在焊接到PCB板上以后，MLCC产生一个弹簧质量系统，其增加或者抑制振荡，具体取决于频率(图1)。本文将研究和讨论降低陶瓷电容器可听噪声的影响、原因和解决方案。


图1：电场影响下的MLCC变形。

实验环境与设置

我们利用一个高敏感度Se Electronics 1000A麦克风获取测量结果，并使用Spectro频率分析器2.0软件对其进行分析。所有下列数值结果并非是要为你提供绝对数据，而是用于相互比较，以理解MLCC可听噪声的各种影响因素。我们还不完全了解产生这类“噪声”的原因，本文主要为你介绍一些事实，并不准备解释某个参数产生某种结果的原因。大多数情况下，常识就能解释“噪声”产生的原因。少数情况下，需要读者运用其技巧。

频率影响

耳朵对声音的响应依赖于声音的频率。人耳的最大灵敏度约为2.5kHz到3kHz(图2)，并且低频的响应相对较低。换句话说，相同的SPL，相比低频(例如：50 Hz)声音，3 kHz频率的声音听起来更大声。


图2：人耳可听范围。

本文剩下部分将不考虑频率影响。

信号特性影响

如果给MLCC端施加一个替代电压，电容器将在该信号频率下收缩和膨胀，其变形程度取决于几个因素。

基本上，绝对电压越高，电容器膨胀越重要。因此，随着信号振幅(lVmax – Vminl)的增加，电容器容积变化也愈加重要，其导致更高的SPL(图3)。另外，占空因数接近10%或者90%的信号，产生的“噪声”比50%占空因数的信号更少(低12 dB)。


图3：SPL、漂移与振幅的对比(6kHz – D= 50%)。

最后，急剧升/降沿的信号(例如：方波)会使电容器更快变形，因此SPL高于变化较慢的电压(例如：正弦波)。

元件特性影响

顾名思义，MLCC由多个层组成，并且电容器的特性肯定会影响噪声的产生。例如，物理尺寸相同时，电容越小，要求的层也越少，因此产生的变形也更小，具体如下面公式所示：

Δt=n×V×d33

Δt =厚度变化(变形) [m]

n = 层数

V = 厚度施加电压 t [V]

d33 = 厚度压电系数 (“i=3” 方向) 变化 [m/V]

但是，相比大额定值电容器，给定电压情况下小额定值电容器通常呈现更高的电容，而前者往往产生更多的噪声。

不同的接触面积(宽度、长度)几乎不影响噪声的产生，但是相同电容时，粗电容器产生的SPL要比细电容器产生的低。我们注意到，电容器越细，电场越高(因为各层更紧密)，偏差效应也更高。例如，一个1mm电容器比2.5mm电容器多产生13 dB。

PCB板影响

由于PCB板会起到前述弹簧质量系统共振器的作用，组合电容器/PCB板在尺寸、配置和布局方面都至关重要。远离板的电容器(除其各端焊接材料以外不与板接触)不会产生任何可听噪声。

难以测量和控制的板自振频率可以忽略不计。一般而言，板越厚，承受的变形越小，其产生的SPL也就越低。与此同时，振动电容器周围的板表面越重要，噪声越大。优先将电容器放置在PCB边沿。测量结果表明，厚度降低2mm到1mm，噪声增加5 dB，而面积减少14 cm?到5 cm?，噪声减少6 dB。

相邻放置时，电容器产生的总SPL更高(一个单电容器和三个并联电容器之间，增加14 dB)。相反，在PCB板两面对称放置时(图4所示)，电容器往往相互抵消振动。


图4：焊接在PCB板两面的电容器相互抵消振动。

电子电路中的可听噪声

由于许多电子设备均靠近人耳，例如：笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，因此噪声会令人感到异常讨厌，并且会成为一种重要的购买决定因素。

在谈到电容器高度、PCB板特性或者电容器布局时，因受空间和成本限制，制造厂商有时并没有很大的自由度。但是，一个可以事先确定的转换器参数是突发负载或者线压变化的负载瞬态响应。由于这种参数会对输出电容器的电压振幅变化产生直接的影响，IC制造厂商会尝试改善这种瞬态响应，以帮助解决可听噪声问题。

外部补偿提供更高的灵活度，但通常要求使用额外的电阻器和电容器。与所有权衡过程一样，用户必须决定空间还是性能更重要。