MLCC啸叫原理及应对措施

MLCC啸叫原理及应对措施

一、什么是MLCC啸叫？

随着电子设备向小型化、轻薄化发展，电子设备内部的温度变高，逐渐地开始使用叠层型电容器替代薄膜电容。特别是FPD当中，为了追求薄型化，电源电路板高度越来越低，电子元器件也开始进行薄型化和表面贴装化的研究设计。同时在中高压领域，作为开关电源节省能耗的对策之一，使用MLCC能够在待机时间降低电力消耗。但是，在电源初级中，待机状态的基本频率是在几百至几千赫兹，在一些较高级的静音设计电子设备中，电容器会出现“啸叫”的情况。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？

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二、MLCC啸叫原理

1、压电效应的定义

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。

（1）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。

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（2）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。

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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振动原理

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，如下图所示，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。

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3、MLCC啸叫原理

由于陶瓷的强介电性引起的压电效应，叠层电容在施加交流电之后会向叠层的方向发生伸缩。这是因为介电体一般的泊松比（横向变形系数）为0.3，与叠层方向垂直的方向，即与电路板平行的方向也会发生伸缩，结果导致电路板表面产生振动并能够听到声音。电容器以及电路板的振幅仅为1pm～1nm，但振动声音已足够大到我们可以听见。单个电容器与空气产生的声阻抗有所差别，因此若仅是这样的话应该几乎是听不到啸叫的，然而焊接到电路板上之后，电路板成了声阻抗变压器，使振动频率达到人耳可分辨频段(20Hz～20kHz)时，就会听到类似“叽叽叽”的声音，即产生啸叫现象。

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三、哪些材质的MLCC会啸叫呢？

不是所有的MLCC都会啸叫，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。低介电率介质又称I类介质，主要有C0G（NP0）材质等。低介电率材质电致伸缩形变很小，在工作电压下，不足以产生噪声。所以，低介电率介质(I类介质)材料生产制造的MLCC，就不会产生噪声啸叫。

铁电介质（高介电率）又称II类介质，主要是BaTiO3、BaSrTiO3材料等。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。

四、啸叫问题解决方案

1、解决方案思路如下：

（1）通过使用比一般普通电容的陶瓷材料更低介电率的材料，可以减少电容器的压电效应，如用低介电率材料MLCC或用钽电容、薄膜电容等不具有压电效应的电容器替代。

（2）调整设计电路，将加在MLCC上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的尺寸选型和MLCC在PCB板上的布局。

2、解决MLCC啸叫的措施：

（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）使用低介电率介质材质MLCC：使用C0G（NPO）材质MLCC，或者通过添加稀土元素对MLCC材料（如BaTiO3）进行掺杂改性，牺牲部分的介电常数和温度特性，生产制造低介电材率的材质MLCC。

（3）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。

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（4）添加金属支架结构：金属端子通过接合材料（LF高温焊接）与电容器的外部电极相结合，使金属端子成为接合电路板的媒介。金属端子的形状采用能够降低啸叫效果的U字形。它只是与电容器上压电效应比较小的WT面外侧部分结合，从而减低电容器振动的传递。

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