發布日期：2022-04-20 點擊率：67
與傳統聚合物電容器相比，多層陶瓷電容器 (MLCC) 在電力電子設計中很受歡迎，原因有很多：
MLCC 提供：
· 具有相對較高電容的小輪廓。
· 非常低的等效串聯電阻 (ESR)。
· 非常低的等效串聯電感 (ESL)。
· 較高頻率下的阻抗較低。
· 非極化便于安裝和制造。
· 與鉭和鋁電解電容器相比，隨著時間的推移具有更高的可靠性。
· 降低單位成本。
然而，MLCC 并不總是靜靜地坐在董事會上并做好自己的工作。有時他們感到無聊并開始“唱歌”。這是由于陶瓷材料的壓電效應，它具有與其他鐵電介質相同的特性。當施加在 MLCC 表面上的電勢或電場在 20Hz-20kHz 的頻率范圍內引起變形時，人類可能會聽到。這稱為 MLCC 聲學噪聲或歌聲。
對聲學噪聲的主要貢獻包括：
· 以可聽范圍內的頻率運行的電勢。
· 與較大的外殼尺寸相比，較小的外殼尺寸往往會產生較低的聲級。
· 陶瓷介電常數（K）；較高的 K 具有較高的鐵電特性。
· 由于較少的變形，較少的陶瓷層產生較低的聲級。
圖 1：施加電場時 MLCC 和電路板變形
MLCC 本身對人耳應該是安靜的。但是，當安裝在印刷電路板 (PCB) 上時，聲音可能會很大。假設您在開關電源轉換器的輸入端有一個陶瓷電容器。開關行為會在陶瓷電容器上產生高頻電壓變化；隨著電壓的升高和降低，MLCC 會膨脹和收縮。MLCC 的變形會造成 PCB 的振動，從而導致蜂鳴聲放大。電勢變化越大，變形越大（壓電效應），當頻率出現在可聽范圍內時，會產生更大的聲音。
某些應用可以使用電解質或鉭型電容器，當噪聲存在問題時，最好使用通孔型電容器。但對于成本敏感或尺寸受限的應用（如個人電子設備），您無法避免使用薄而小的陶瓷電容器，因此降低噪聲的需求立即變得至關重要。
以下是一些可以將噪音最小化或降低到可接受水平的可用解決方案：
· 使用聲音更安靜的電容器。電容器制造商已經開發出具有低失真介電材料的陶瓷電容器，該材料具有較低的鐵電特性和較小的電壓變化變形。Murata 制造的一系列電容器位于中介層基板上以降低噪聲（圖 2）。村田也有一個具有特殊機械配置的系列；它使用金屬端子將電容器安裝在 PCB 板上，通過吸收機械沖擊來實現降噪（圖 3）。不幸的是，這種電容器往往更昂貴，這阻礙了終端設備制造商的廣泛使用。噪聲抑制效果取決于電容器的類型。（圖4）
圖2 ：“中介層”陶瓷電容器的機械結構
圖3 ：“金屬端子”陶瓷電容器的機械結構
圖4 ：各電容器的降噪效果（典型值）
· 通過優化 PCB 布局來降低噪音。噪聲的來源是 MLCC 與 PCB 的相互作用。優化 PCB 上的元件布局可能是有效的。使用較厚的 PCB 會使聲音頻率因重量變化而發生偏移。一些文章還建議將組件放置在 PCB 的邊緣以降低聲壓級。同樣，將元件對稱放置在 PCB 的頂部和底部也有助于降低噪聲水平，因為當電壓施加到兩個電容器時，兩個振動將相互抵消，這是由于振動消除效應（圖 5）同時。
圖5 ：PCB 兩側用于消除振動的電容器
· 減少電容器上的電壓幅度變化。在大多數情況下，終端設備的制造受到成本或尺寸的限制，這使得前兩種降低噪聲的方法不切實際。然而，決定噪聲的另一個主要因素是電容器兩端的電壓變化有多高或多快。這可以通過適當的系統設計進行優化，通過改善負載瞬態響應或線路瞬態響應。
以線路瞬態響應為例，使用 TI 的 DCAP+? Vcore 控制器之一 TPS51622 進行了一項實驗，通過在以快 (48mV/μs) 和慢 ( 12mV/μs) 使用英特爾穩壓器 (VR) 工具的壓擺率。向TPS51622發送 I 2 C 命令可將輸出電壓從 0.5V 更改為 1.5V，輸入電壓紋波的測量結果如圖 5 所示。
圖6 ：具有快/慢壓擺率的輸入陶瓷電容器上的輸入電壓紋波
快速擺率的電壓幅值遠高于慢擺率的電壓幅值；電容器兩端的電壓差直接轉化為噪聲的增加，以分貝為單位。實測數據顯示，噪音從約 40 分貝降至約 50 分貝，降至更低、更安靜的水平。其他聲級和效果見表 1。
表 1：噪聲源及其影響
傳統陶瓷電容器的廣泛使用給電源系統設計帶來了噪聲問題。然而，有一些解決方案可以從不同的角度解決這個問題：改變 MLCC 本身的電子特性，或盡量減少其與 PCB 的相互作用。這些方法要么將噪聲降低到可接受的水平，要么通過使用更昂貴的“抗噪聲”電容器從源中消除噪聲。
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