电容啸叫原因分析

最近在过叠加交流实验时,发现在实验过程中可听见轻微啸叫的情况,根据声音的发生地址大致可判断接插件的接口处电容发出的啸叫声音。

    如下为电容啸叫位置:

                        啸叫位置

电容为什么会发生啸叫?

     为了更好的理解电容啸叫的本质,我们要先了解一种自然现象——压电效应。压电效应的学术定义是:在没有对称中心的晶体上施加压力、张力和切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端面将出现正、负电荷,这一现象称为正压电效应。反之在晶体上施加电场而引起极化,则产生与电场强度成比例的变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。显然,我们讨论的电容啸叫属于逆压电效应的范畴。更通俗的来讲,就是在外电场的作用下,陶瓷介质本身会发生伸缩形变,因此也称为电致伸缩。

叠层陶瓷电容的介质材料主要有顺电介质和铁电介质两大类。

顺电介质:

顺电介质又称I类介质,主要有SrZrO3(锆酸锶)、MgTiO3(钛酸镁)等。顺电介质电致伸缩产生的形变很小,在工作电压下,不足以产生噪声。所以,顺电介质材料做的MLCC,如NPO 电容器,其工作时不会产生明显啸叫。但是此类介质难以制作大容值的电容。

铁电介质:

铁电介质又称II 类介质,主要BaTiO3(钛酸钡)、BaSrTiO3(钛酸锶钡)等。铁电介质的电致伸缩特性强烈。因此,铁电介质(II 类介质)做的MLCC,如X7R/X5R 等产品,在较大的交流电场强度作用下会产生明显的啸叫噪声。

    因为陶瓷的强介电性会引起压电效应,叠层陶瓷电容在施加交流电之后,会在叠层方向(Z 轴)和电路板平行的方向(X 与Y 轴)发生伸缩形变。由于陶瓷电容焊接在电路板上,电容的形变会拉动电路板,从而导致电路板表面震动。如果震动频率落在人耳可听范围内,就听到了电容啸叫现象。

  1. 避免纹波频率落在20Hz~20KHz 之间。
  2. 电容选型方面要尽量选择无噪声或低噪声的MLCC 电容,或者选用固态电容、铝电解电容等不具有压电效应的电容替代MLCC 电容。但这样做的弊端在于舍弃了MLCC 轻薄的优势,因此在实际应用中需要考虑体积空间、可靠性和成本等问题。
  3. 电路板布局方面可以采用加厚电容底部保护层的方式,如下图所示,由于保护层部分是没有内电极的,这部分的陶瓷不会发生形变。当两端的焊锡高度不超过底保护层厚度,这时电容电致伸缩产生的形变对PCB影响要小,因此可以有效改善电容啸叫。
  4. 利用开槽来降低PCB 板的震动也是抑制电容啸叫的一种办法,开槽示意图如下图所示。这样电容在电致伸缩时所带动的PCB 部分被限制在两个槽之间,减小震动区域,从而减小电容啸叫的程度。
  5. 如果条件允许的话,还可以在MLCC 两端附加金属支架结构。通过金属支架把MLCC 芯片架空,让MLCC与PCB 板隔空,把电致伸缩产生的形变通过金属支架弹性缓冲,减小对PCB 板的拉动影响,可以有效降低噪声。

下面主要整改,根据描述1,3,4,5方式整改都成本高或者不好操作,选择方式2,增加电解电容,如下图所示,后端增加4个电解电容可有效减少啸叫的产生。

                            整改后

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  • 电子设计情有独钟 2022-12-12 18:03
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  • 多宝鱼 2022-12-02 19:28
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