如何降低如何降低MLCC压电效应和可听噪声压电效应和可听噪声
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。
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。