【技术】什么是MLCC啸叫?
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MLCC是应用最广泛的电子元器件之一,随着MLCC往高温、高容、高压、薄型化等方向发展,其被广泛应用于汽车电子场景、家用电器、照明设备、笔记本电脑、手机、显示屏及各种设备的电源电子电路中。在电源电子电路设计过程中,研发工程师常碰到中高容MLCC产品在PCB板上出现啸叫现象。这是MLCC在电压作用下发生幅度较大的振动(振动幅度很小),当该振动频率在人耳所能听到的频率范围(20Hz~20 kHz)内时,就会出现啸叫现象。那么,MLCC为何会振动呢?MLCC啸叫是怎么产生的呢?所有的MLCC都会产生啸叫现象吗?研发工程师在电路选型中该采取何种措施来解决啸叫问题呢?
MLCC啸叫原理
(1)压电效应定义
我们要先了解一种自然现象——电致伸缩。在外加电场作用下,所有的物质都会产生伸缩形变,即电致伸缩。对于某些高介电常数的铁电材料,电致伸缩效应剧烈,称为压电效应。压电效应包括正压电效应和逆压电效应。
正压电效应:对具有压电特性的介质材料施加机械压力,介质晶体会发生结构重组排布,材料表面会感应出电荷,产生电位差。
逆压电效应:对具有压电特性的介质材料施加电压,则产生机械应力,发生形变。
在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时,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。
(2)MLCC为什么会振动呢?
MLCC的主要组成成分是陶瓷粉BaTiO3,由于此类材料具有强介电常数的压电特性,在施加交流电压的情况下,如图4所示,发生电致伸缩现象,当电致伸缩强烈表现为压电效应时,则会产生振动。
(3)MLCC啸叫原理
由于压电效应造成MLCC产生振动,结果导致PCB板如图6所示将朝平面方向振动(MLCC及PCB板的振幅仅为1pm~1nm左右)。当该PCB板的振幅周期达到人耳能够听到的频率带 (20Hz~20kHz) 时,人们就会听到“MLCC发出的声音”,即产生啸叫现象。
所有MLCC都会啸叫么?
难道所有MLCC都会啸叫么?当然不是,MLCC设计制造陶瓷介质材料主要有顺电介质和铁电介质两大类。顺电介质又称I类介质,主要有SrZrO3、MgTiO3等。顺电介质电致伸缩形变很小,在工作电压下,不足以产生噪声。所以,顺电介质(I类介质)材料生产制造的MLCC,如NPO(COG)等温度稳定性产品,就不会产生噪声啸叫。
铁电介质又称II类介质,主要BaTiO3、BaSrTiO3等。铁电介质具有强烈的电致伸缩特性,即压电效应。因此,铁电介质(II类介质)生产制造的MLCC,如X7R/X5R等特性的产品,在较大的交流电场强度作用下会产生明显的噪声啸叫。
如上动态图所示,X7R-MLCC两端加上大幅度变化电压后,BaTiO3陶瓷产生逆压电效应,MLCC形变振动并传递到PCB板上发生共振。当振动的频率在20Hz~20kHz人耳听觉范围内时,则能听到电容在啸叫。
如何解决啸叫问题?
许多移动电子设备靠近人耳,如:笔记本电脑、平板电脑等,如电子电路中有可听噪声会影响使用感受。剧烈的啸叫除了令人生厌外,还可能存在着可靠性设计不足的隐患,如对铁电陶瓷,在交变电场作用下,还存在铁电畴交替转向内摩擦方面的问题,交变场强大,内摩擦严重,失效机率上升,这可在啸叫声音的大小上反映出来的。故我们应该采取相应的措施,消除啸叫现象。
主要的措施思路如下:
1.改变电容器类型,如用顺电材料MLCC、钽电容和薄膜电容等不具有压电效应的电容器替代;但需要考虑体积空间、可靠性和成本等问题。
2.调整电路,将加在MLCC大的交变电压消除或者将其频率移出人耳听感频段 (人耳最敏感音频为1KHz~3KHz)。
3.注意PCB布局、PCB板规格,帮助降低啸叫水平。
4.选用无噪声或低噪声的MLCC。
无噪/低噪声MLCC的设计:
目前针对MLCC的啸叫现象,设计解决措施如下:
(1)加厚MLCC介质厚度:剧烈的啸叫源于剧烈的振动,振动幅度由压电效应程度决定。压电效应与电场强度成正比,外加电压不变,介质越薄,压电效应越强,啸叫声音越大。额定电压由MLCC的材质和介质厚度决定的,剧烈的啸叫表示对当前工作电压所选用的MLCC介质厚度过薄,应当考虑选用介质更厚,额定电压更高的MLCC。
(2)加厚底部保护层:由于保护层厚度部分是没有内电极的,这部分的BaTiO3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,这时产生的形变对PCB影响要小,有效地降低噪声。
(3)添加金属支架结构:采用金属支架把MLCC芯片架空。MLCC与PCB板隔空,把逆压电效应产生形变通过金属支架弹性缓冲,减少对PCB板的作用,有效的降低噪声。
(4)使用压电效应弱的介质材料设计制造:通过对钛酸钡(BaTiO3)进一步掺杂改性,牺牲一定的介电常数和温度特性,得到压电效应大大减弱的介质材料,用其制造的MLCC可有效的降低噪声。
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目录- 公司简介和产品介绍 产品型号规格及代码定义 车规MLCC产品范围 车规MLCC-C0G系列 车规MLCC-X7R系列 车规MLCC-X7S系列 车规MLCC-X7T系列 应用技术要求
型号- 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