【经验】如何改善安装PCB板产生啸叫问题——电容器自身对策和布局两方面探讨

时间： 2018-11-15 来源：ROHM

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啸叫是指听到来自PCB板的类似“叽”或“吱”声音的现象。例如，听说有的便携设备用的廉价充电器发出相当大的啸叫音（otonaki）。可能有些设备或环境即使产生了啸叫也未注意到，或者是不在意的现象，但如果在就寝时的安静环境中，应该可以注意到您列举的便携设备充电器等的啸叫声。另外，音频设备等听到在播放声音之外的声音就是比较严重的问题了。

啸叫的机理：

高介电常数的陶瓷电容器具有给电介质施加电压时，电介质变形（失真）的特性。这是压电效应的相反现象，被称为“逆压电效应”。此外，有时也将具有这种特性表达为“压电性”或“逆压电性”。如果施加的是DC电压，则仅产生相应的失真，而如果是有振幅的电压，则使MLCC周期性地变形并引起PCB板振动。如果其频率是可听频段20Hz～20kHz，就可听到声音。

上图是更具体的示意图，表示施加电压与MLCC变形的关系。从开关电源考虑，输出电压是DC，包括开关频率引起的纹波电压。输出纹波诱发被用作输出电容器的MLCC振动。

在PCB板中，由于在MLCC两端的电极为焊接，电极间的长度方向的变形（图中蓝色的双箭头）使PCB板表面（图中黄绿色的双箭头）变形，如此反复导致振动。该振动通过PCB板的传导被放大，成为人耳能听到的程度的音压是啸叫。当然，条件是振动的频率为可听频段。

啸叫不仅与电介质材料和电容器的形状有关，也与PCB板的尺寸和安装状态等有关，实际上需要进行电容器自身的对策和布局两方面的探讨。不管怎样，让啸叫完全消失是相当难的，可采用改善到容许范围内的方法。在此介绍4个对策。

①通过材料进行改善
开发出使用了逆压电效应很低、即变形较小的电介质材料的MLCC。基本上如右图所示，低介电常数材料的失真更低。例如，有LD（Low Distortion）系列等可降低啸叫的产品群。

②通过电路板设计进行改善
这是PCB板方面的改善。例如，对于同一电源线，如图所示，两面安装相同的MLCC。两个MLCC的振动相反相互抵消，振动被缓解。

③通过结构进行改善：LW（长度-宽度）逆转结构
MLCC的电极间的长度通常大于宽度。通过缩短电极间的长度，可减轻导致PCB板振动的电极间的变形。如图所示，准备了宽度较电极间宽的类型的MLCC。图中称为“RGC”的是逆转结构型。

④通过结构进行改善：金属框架型
在弯曲应力的对策中提过的金属框架型MLCC也有助于改善啸叫。从结构立刻可以想象到，金属框架吸收MLCC的振动。

这四个对策之中，可以预期金属框架有很好的效果。看试验数据就一目了然了。从以下数据可以看出，金属框架型与标准品相比，最大可改善约30dB的音压。

啸叫如前面所提到的，不仅与MLCC的材料和形状有关也与PCB板和安装有关，因此有些情况需要从不同的角度来多方研究。不仅是改善效果的大小，为了改善啸叫有可能要变更PCB板布局和元器件。现实中，这些有可能是限制事项，有时需要权衡。

例如，虽然金属框架型的改善效果很好，但对元器件的高度有限定时，可能无法使用。相反，如果因改善效果不错、可解决高度问题而采用LW逆转型，则需要变更布线模式和布局。下表总结了这些限制事项与对策的关系，仅供参考。

电容器制造商可以采取包括这些方法在内的综合啸叫对策，所以咨询制造商也是良策。

啸叫被认为对MLCC自身没有影响。MLCC自身的振动非常小，仅为微米～纳米级别。相比之下，利用压电效应的压电蜂鸣器和陶瓷振荡器等，是积极的利用了高达几十倍振动的产品，具有充分的可靠性。从这点看也可以理解ROHM推出的MLCC陶瓷电容的逆压电效应对可靠性并没有特别的影响。

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