MLCC啸叫原理及应对措施

发布时间：2023-08-14

一、什么是MLCC啸叫？

       MLCC是应用最广泛的电子元器件之一，随着MLCC往高温、高容、高压、薄型化等方向发展，其被广泛应用于汽车电子场景、家用电器、照明设备、笔记本电脑、手机、显示屏及各种设备的电源电子电路中。在电源电子电路设计过程中，研发工程师常碰到中高容MLCC产品在PCB板上出现啸叫现象。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？

图1：电源电路的啸叫部分电路示例

二、MLCC啸叫原理

（1）压电效应定义

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。

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。

图2：正压电效应原理图

  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。

图3：逆压电效应原理图

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为什么会振动呢？

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，如图4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。

图4：施加外电压时由压电效应造成的MLCC变形

图5：MLCC瓷粉BaTiO₃结构

（3）MLCC啸叫原理

  由于压电效应造成MLCC产生振动，结果导致PCB板如图6所示将朝平面方向振动(MLCC及PCB板的振幅仅为1pm～1nm左右)。当该PCB板的振幅周期达到人耳能够听到的频率带 (20Hz～20kHz) 时，人们就会听到“MLCC发出的声音”，即产生啸叫现象。

图6：因压电效应而造成的PCB板变形

三、所有MLCC都会啸叫么？

难道所有MLCC都会啸叫么？当然不是，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。顺电介质又称I类介质，主要有SrZrO3、MgTiO3等。顺电介质电致伸缩形变很小，在工作电压下，不足以产生噪声。所以，顺电介质(I类介质)材料生产制造的MLCC，如NPO（COG）等温度稳定性产品，就不会产生噪声啸叫。

铁电介质又称II类介质，主要BaTiO3、BaSrTiO3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。

图7：MLCC振动图

如上动态图所示，X7R-MLCC两端加上大幅度变化电压后，BaTiO3陶瓷产生逆压电效应，MLCC形变振动并传递到PCB板上发生共振。当振动的频率在20Hz~20kHz人耳听觉范围内时，则能听到电容在啸叫。

四、如何解决啸叫问题？

  许多移动电子设备靠近人耳，如：笔记本电脑、平板电脑等，如电子电路中有可听噪声会影响使用感受。剧烈的啸叫除了令人生厌外，还可能存在着可靠性设计不足的隐患，如对铁电陶瓷，在交变电场作用下，还存在铁电畴交替转向内摩擦方面的问题，交变场强大，内摩擦严重，失效机率上升，这可在啸叫声音的大小上反映出来的。故我们应该采取相应的措施，消除啸叫现象。

  主要的措施思路如下：

1.改变电容器类型，如用顺电材料MLCC、钽电容和薄膜电容等不具有压电效应的电容器替代；但需要考虑体积空间、可靠性和成本等问题。

2．调整电路，将加在MLCC大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布局、PCB板规格，帮助降低啸叫水平。

4．选用无噪声或低噪声的MLCC。

无噪/低噪声MLCC的设计：

  目前针对MLCC的啸叫现象，设计解决措施如下：

（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）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。

图8：MLCC底部保护层加厚图

（3）添加金属支架结构：采用金属支架把MLCC芯片架空。MLCC与PCB板隔空，把逆压电效应产生形变通过金属支架弹性缓冲，减少对PCB板的作用，有效的降低噪声。

图9：金属支架MLCC结构图

（4）使用压电效应弱的介质材料设计制造：通过对钛酸钡（BaTiO₃）进一步掺杂改性，牺牲一定的介电常数和温度特性，得到压电效应大大减弱的介质材料，用其制造的MLCC可有效的降低噪声。