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作者: Nicolas Guibourg MLCC(或者陶瓷電容器)因其低成本和小體積而在電子電路中得到日益廣泛的使用，但是由于需要處理的電子器件越來越多，它們固有的壓力效應(表現為可聽噪聲)便成為一個問題。 相比常用鉭電解質電容器，MLCC(多層陶瓷電容器)具有許多優勢，具體如下：非常低的等效串聯電阻(ESR)；非常低的等效串聯電感(ESL)，小尺寸；更低老化度，電介質高可靠性。 但是，與所有鐵電體電介質一樣，它受壓電效應影響：某些材料由于機械變形在表面產生電勢或者電場。如果這種電介質承受不同的電場強度，并且其工作頻率處在人耳可聽頻率范圍內(20 Hz – 20 kHz)，則電容器會產生噪聲，也即所謂的可聽噪聲。 在大多數情況下，MLCC本身并不足以產生有問題的或者破壞性的聲壓級(SPL)。但在焊接到PCB板上以后，MLCC產生一個彈簧質量系統，其增加或者抑制振蕩，具體取決于頻率(圖1)。本文將研究和討論降低陶瓷電容器可聽噪聲的影響、原因和解決方案。 
圖1：電場影響下的MLCC變形。 實驗環境與設置 我們利用一個高敏感度Se Electronics 1000A麥克風獲取測量結果，并使用Spectro頻率分析器2.0軟件對其進行分析。所有下列數值結果并非是要為你提供絕對數據，而是用于相互比較，以理解MLCC可聽噪聲的各種影響因素。我們還不完全了解產生這類“噪聲”的原因，本文主要為你介紹一些事實，并不準備解釋某個參數產生某種結果的原因。大多數情況下，常識就能解釋“噪聲”產生的原因。少數情況下，需要讀者運用其技巧。 頻率影響 耳朵對聲音的響應依賴于聲音的頻率。人耳的最大靈敏度約為2.5kHz到3kHz(圖2)，并且低頻的響應相對較低。換句話說，相同的SPL，相比低頻(例如：50 Hz)聲音，3 kHz頻率的聲音聽起來更大聲。
圖2：人耳可聽范圍。 本文剩下部分將不考慮頻率影響。 信號特性影響 如果給MLCC端施加一個替代電壓，電容器將在該信號頻率下收縮和膨脹，其變形程度取決于幾個因素。 基本上，絕對電壓越高，電容器膨脹越重要。因此，隨著信號振幅(lVmax – Vminl)的增加，電容器容積變化也愈加重要，其導致更高的SPL(圖3)。另外，占空因數接近10%或者90%的信號，產生的“噪聲”比50%占空因數的信號更少(低12 dB)。
圖3：SPL、漂移與振幅的對比(6kHz – D= 50%)。 最后，急劇升/降沿的信號(例如：方波)會使電容器更快變形，因此SPL高于變化較慢的電壓(例如：正弦波)。 元件特性影響 顧名思義，MLCC由多個層組成，并且電容器的特性肯定會影響噪聲的產生。例如，物理尺寸相同時，電容越小，要求的層也越少，因此產生的變形也更小，具體如下面公式所示： Δt=n×V×d33 Δt =厚度變化(變形) [m] n = 層數 V = 厚度施加電壓 t [V] d33 = 厚度壓電系數 (“i=3” 方向) 變化 [m/V] 但是，相比大額定值電容器，給定電壓情況下小額定值電容器通常呈現更高的電容，而前者往往產生更多的噪聲。 不同的接觸面積(寬度、長度)幾乎不影響噪聲的產生，但是相同電容時，粗電容器產生的SPL要比細電容器產生的低。我們注意到，電容器越細，電場越高(因為各層更緊密)，偏差效應也更高。例如，一個1mm電容器比2.5mm電容器多產生13 dB。 PCB板影響 由于PCB板會起到前述彈簧質量系統共振器的作用，組合電容器/PCB板在尺寸、配置和布局方面都至關重要。遠離板的電容器(除其各端焊接材料以外不與板接觸)不會產生任何可聽噪聲。 難以測量和控制的板自振頻率可以忽略不計。一般而言，板越厚，承受的變形越小，其產生的SPL也就越低。與此同時，振動電容器周圍的板表面越重要，噪聲越大。優先將電容器放置在PCB邊沿。測量結果表明，厚度降低2mm到1mm，噪聲增加5 dB，而面積減少14 cm?到5 cm?，噪聲減少6 dB。 相鄰放置時，電容器產生的總SPL更高(一個單電容器和三個并聯電容器之間，增加14 dB)。相反，在PCB板兩面對稱放置時(圖4所示)，電容器往往相互抵消振動。
圖4：焊接在PCB板兩面的電容器相互抵消振動。 電子電路中的可聽噪聲 由于許多電子設備均靠近人耳，例如：筆記本電腦、平板電腦、智能手機等，因此噪聲會令人感到異常討厭，并且會成為一種重要的購買決定因素。 在談到電容器高度、PCB板特性或者電容器布局時，因受空間和成本限制，制造廠商有時并沒有很大的自由度。但是，一個可以事先確定的轉換器參數是突發負載或者線壓變化的負載瞬態響應。由于這種參數會對輸出電容器的電壓振幅變化產生直接的影響，IC制造廠商會嘗試改善這種瞬態響應，以幫助解決可聽噪聲問題。 外部補償提供更高的靈活度，但通常要求使用額外的電阻器和電容器。與所有權衡過程一樣，用戶必須決定空間還是性能更重要。 MLCC替代方案 一些無源元件制造廠商已經通過調節電介質開發出了具有低可聽噪聲的MLCC。它們可幫助降低可聽噪聲，但無法完全消除噪聲。其它解決方案也與這種情況類似，例如：修改布局或者選擇不同特性的MLCC等。 由于電容器層變形是產生這種噪聲問題的根源，相比MLCC應優先選擇鉭類電容器。不過，這些電容器的化學組成(MnO2)使電容器存在安全隱患，因為它很容易起火：這是大多數應用無法接受的。其它類型(例如：鋁電解質電容器)通常電氣性能不夠好，無法獲得廣泛的使用。 另一種替代方案是所謂的POSCAP。這些復雜的聚合物/鉭電容器正在筆記本電腦應用中獲得普遍使用，因為它們的結構消除了噪聲，并且其性能高于所有其它類型電容器，特別是在偏差效應方面。例如，只需更少的電容器，便可獲得與數個MLCC并聯一樣的電容。 總結 降低MLCC電容器產生的可聽噪聲的方法有很多。注意PCB布局、PCB板規格或者電容器選擇，可幫助降低SPL水平，但無法消除它。不過，這可能足以達到我們需要的水平。如果噪聲繼續存在，則明智的做法是改變電容器類型，選擇一種更適合的電容器。這種解決方案的成本可能稍高，但是“一分投入，一分收獲”。 作者簡介 Nicolas Guibourg于2006年作為一名系統工程師加入 TI（德國），他在顯示器功率轉換器組從事應用技術支持和新型產品定義工作。他擁有高等電子與數學學院（法國）電機工程學位。 參考文獻與感謝 1、感謝Andreas Maier抽出寶貴時間為本文所做的設備配置和數據測量工作 2、《低顫噪效應多層陶瓷電容器開發》，作者?T. Noji、K. Kawasaki、H. Sano、 N. Inoue、 K. Malhotra，2006年4月，村田電子公司 3、“SANYO電容器”產品說明，2009年10月 |
