MLCC為什么會振動

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……

筆記本電腦電源電路的嘯叫示例部位。

隨著人們對電子設(shè)備的需求趨于平靜，在筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機 （DSC） 等各種應(yīng)用設(shè)備的電源電路方面，以前未引起重視的由電容器振動所產(chǎn)生的“嘯叫”問題已成為設(shè)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。

MLCC發(fā)出嘯叫聲音，即是說，MLCC在電壓作用下發(fā)生幅度較大的振動（微觀的較大，小于1nm）。

MLCC為什么會振動？

我們要先了解一種自然現(xiàn)象——電致伸縮。

在外電場作用下，所有的物質(zhì)都會產(chǎn)生伸縮形變——電致伸縮。

對于某些高介電常數(shù)的鐵電材料，電致伸縮效應(yīng)劇烈，稱為——壓電效應(yīng)。

壓電效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

小結(jié)：嘯叫原理

片狀獨石電容器由于強介電常數(shù)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(jìn)行收縮。

結(jié)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(dá)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(yīng)：

對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加機械壓力，介質(zhì)晶體會發(fā)生結(jié)構(gòu)重組排布，材料表面會感應(yīng)出電荷，產(chǎn)生電位差。

逆壓電效應(yīng)：

對具有壓電特性的介質(zhì)材料施加電壓，則產(chǎn)生機械應(yīng)力，發(fā)生形變。

壓電效應(yīng)的學(xué)術(shù)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(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體兩端面將出現(xiàn)正、負(fù)電荷，這一現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之在晶體上施加電場而引起極化，則產(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應(yīng)力，這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。這兩種正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)?！?/p>

陶瓷介質(zhì)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(xiàn)為壓電效應(yīng)，則會產(chǎn)生振動。

所有MLCC都會嘯叫嗎？

MLCC設(shè)計制造陶瓷介質(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，在較大的交流電場強度作用下會產(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形變振動并傳遞到PCB板上發(fā)生共振。

當(dāng)電壓信號的頻率在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(chǎn)生明顯的嘯叫，如開關(guān)電源、高頻電源等場合。

嘯叫的危害：

許多移動電子設(shè)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(shè)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(yīng)程度決定。

壓電效應(yīng)與電場強度成正比，外加電壓不變，介質(zhì)越薄，壓電效應(yīng)越強，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。

對鐵電陶瓷，在交變電場作用下，還存在鐵電疇交替轉(zhuǎn)向內(nèi)摩擦方面的問題，交變場強大，內(nèi)摩擦嚴(yán)重，失效機率上升。這可在嘯叫聲音的大小上反映出來的。

解決嘯叫的對策：

降低MLCC電容器產(chǎn)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(yīng)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(diào)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(guī)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(shè)計

目前針對MLCC的嘯叫現(xiàn)象，設(shè)計解決措施有三種。

（1）加厚底部保護(hù)層

由于保護(hù)層厚度部分是沒有內(nèi)電極的，這部分的BaTiO3陶瓷不會發(fā)生形變，當(dāng)兩端的焊錫高度不超過底保護(hù)層厚度，這時產(chǎn)生的形變對PCB影響要小，有效地降低噪聲。

（2）附加金屬支架結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)圖如下，它采用金屬支架把MLCC芯片架空。

MLCC與PCB板隔空，把逆壓電效應(yīng)產(chǎn)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(yīng)弱的介質(zhì)材料設(shè)計制造

通過對鈦酸鋇（BaTiO3）進(jìn)一步摻雜犧牲一定的介電常數(shù)和溫度特性，得到壓電效應(yīng)大大減弱的介質(zhì)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(yīng)低噪材質(zhì)的MLCC產(chǎn)品系列。