降低MLCC压电效应和可听噪声

降低MLCC压电效应和可听噪声

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。

       难以测量和控制的板自振频率可以忽略不计。一般而言，板越厚，承受的变形越小，其产生的SPL也就越低。与此同时，振动电容器周围的板表面越重要，噪声越大。优先将电容器放置在PCB边沿。测量结果表明，厚度降低2mm到1mm，噪声增加5 dB，而面积减少14 cm?到5 cm?，噪声减少6 dB。

       相邻放置时，电容器产生的总SPL更高(一个单电容器和三个并联电容器之间，增加14 dB)。相反，在PCB板两面对称放置时(图4所示)，电容器往往相互抵消振动。

图4：焊接在PCB板两面的电容器相互抵消振动。

电子电路中的可听噪声

       由于许多电子设备均靠近人耳，例如：笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，因此噪声会令人感到异常讨厌，并且会成为一种重要的购买决定因素。

       在谈到电容器高度、PCB板特性或者电容器布局时，因受空间和成本限制，制造厂商有时并没有很大的自由度。但是，一个可以事先确定的转换器参数是突发负载或者线压变化的负载瞬态响应。由于这种参数会对输出电容器的电压振幅变化产生直接的影响，IC制造厂商会尝试改善这种瞬态响应，以帮助解决可听噪声问题。

       外部补偿提供更高的灵活度，但通常要求使用额外的电阻器和电容器。与所有权衡过程一样，用户必须决定空间还是性能更重要。

MLCC替代方案

       一些无源元件制造厂商已经通过调节电介质开发出了具有低可听噪声的MLCC。它们可帮助降低可听噪声，但无法完全消除噪声。其它解决方案也与这种情况类似，例如：修改布局或者选择不同特性的MLCC等。

       由于电容器层变形是产生这种噪声问题的根源，相比MLCC应优先选择钽类电容器。不过，这些电容器的化学组成(MnO2)使电容器存在安全隐患，因为它很容易起火：这是大多数应用无法接受的。其它类型(例如：铝电解质电容器)通常电气性能不够好，无法获得广泛的使用。

       另一种替代方案是所谓的POSCAP。这些复杂的聚合物/钽电容器正在笔记本电脑应用中获得普遍使用，因为它们的结构消除了噪声，并且其性能高于所有其它类型电容器，特别是在偏差效应方面。例如，只需更少的电容器，便可获得与数个MLCC并联一样的电容。

总结

       降低MLCC电容器产生的可听噪声的方法有很多。注意PCB布局、PCB板规格或者电容器选择，可帮助降低SPL水平，但无法消除它。不过，这可能足以达到我们需要的水平。如果噪声继续存在，则明智的做法是改变电容器类型，选择一种更适合的电容器。这种解决方案的成本可能稍高，但是“一分投入，一分收获”。

参考文献与感谢

1、感谢Andreas Maier抽出宝贵时间为本文所做的设备配置和数据测量工作

2、《低颤噪效应多层陶瓷电容器开发》，作者?T. Noji、K. Kawasaki、H. Sano、 N. Inoue、 K. Malhotra，2006年4月，村田电子公司

3、“SANYO电容器”产品说明，2009年10月