降低MLCC压电效应和可听噪声

降低MLCC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。

       但是，与所有铁电体电介质一样，它受压电效应影响：某些材料由于机械变形在表面产生电势或者电场。如果这种电介质承受不同的电场强度，并且其工作频率处在人耳可听频率范围内(20 Hz – 20 kHz)，则电容器会产生噪声，也即所谓的可听噪声。

       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。本文剩下部分将不考虑频率影响

图2：人耳可听范围。

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)。