怎么降低MLCC压电效应和可听噪声

MLCC（或者陶瓷电容器）因其低成本和小体积而在电子电路中得到日益广泛的使用，但是由于需要处理的电子器件越来越多，它们固有的压力效应（表现为可听噪声）便成为一个问题。

　　相对于常用的钽电解电容器，MLCC具有多个优势，具体如下：极低的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL），小尺寸，更低的老化度以及高电介质可靠性。

　然而，与所有铁电体电介质一样，MLCC受到压电效应的影响，即某些材料在机械变形时会在表面产生电势或电场。如果电介质承受不同电场强度，并且工作频率在人耳可听范围内（20 Hz - 20 kHz），则电容器会产生可听噪声。

大多数情况下，MLCC本身并不足以产生有问题或破坏性的声压级（SPL）。但是，一旦焊接到PCB板上，MLCC会形成一个弹簧质量系统，其可能增加或抑制振荡，具体取决于频率（参见图1）。本文旨在研究和讨论降低陶瓷电容器可听噪声的影响、原因和解决方案。

实验环境与设置
　　我们使用高灵敏度的Se Electronics 1000A麦克风获取测量结果，并使用Spectro频率分析器2.0软件进行分析。下面的数值结果旨在相互比较，以理解MLCC可听噪声的各种影响因素，并不提供绝对数据。本文主要介绍一些事实，并不解释某个参数产生某种结果的原因，因为大多数情况下，常识就能解释“噪声”产生的原因，只有少数情况下需要读者运用其技巧。

频率影响
　　人耳对声音的响应与频率相关。人耳对声音的最大灵敏度约为2.5kHz到3kHz（参见图2），而对低频的响应相对较低。换句话说，相同声压级下，3 kHz频率的声音听起来比低频（例如50 Hz）的声音更响亮。

　　图2：人耳可听范围。

本文剩下部分将不考虑频率影响。

　　信号特性影响
　　当在MLCC端施加一个替代电压时，电容器将根据信号频率而收缩和膨胀，变形程度受几个因素的影响。
　　基本上，绝对电压越高，电容器的膨胀越显著。因此，随着信号振幅（lVmax – Vminl）的增加，电容器的容积变化也变得更加重要，从而导致更高的SPL（图3）。此外，占空因数接近10%或90%的信号产生的“噪声”要比占空因数为50%的信号少（低12 dB）。

　元件特性影响

　正如其名称所示，MLCC由多个层组成，电容器的特性必然会影响噪声的产生。例如，在物理尺寸相同的情况下，电容器越小，所需的层数也越少，因此产生的变形也更小，具体表达式如下：

Δt = n × V × d33

其中：

Δt = 厚度变化（变形）[m]

n = 层数

V = 施加的厚度电压[V]

d33 = 厚度压电系数（“i=3”方向）变化[m/V]　

然而，与大额定值电容器相比，具有相同电压的小额定值电容器通常具有更高的电容，而前者通常会产生更多的噪声。

不同的接触面积（宽度、长度）几乎不会影响噪声的产生，但是对于相同的电容而言，粗电容器产生的SPL要比细电容器低。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，与2.5mm电容器相比，1mm电容器会多产生13 dB的噪声。　　PCB板影响
　由于PCB板在形成弹簧质量系统共振器方面起着作用，组合电容器/PCB板在尺寸、配置和布局方面非常重要。远离板的电容器（除了其各端的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。一般来说，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。最好将电容器放置在PCB边沿。测量结果表明，将厚度从2mm降低到1mm，噪声增加5 dB，而将面积从14 cm²减少到5 cm²，噪声减少6 dB

当电容器相邻放置时，产生的总SPL较高（相比于单个电容器和三个并联电容器，增加了14 dB）。相反，在PCB板两面对称放置电容器时（如图4所示），电容器往往会相互抵消振动。

电子电路中的可听噪声

由于许多电子设备靠近人耳，例如笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，因此噪声会极大地干扰用户，成为购买决策的重要因素。

在讨论电容器高度、PCB板特性或电容器布局时，制造商通常受到空间和成本的限制，因此并没有太大的灵活性。然而，一个可预先确定的转换器参数是突发负载或线压变化的负载瞬态响应。由于这种参数直接影响输出电容器的电压振幅变化，IC制造商试图改善这种瞬态响应，以帮助解决可听噪声问题。

外部补偿提供更大的灵活性，但通常需要使用额外的电阻器和电容器。与所有的权衡过程一样，用户必须决定空间还是性能更为重要。

MLCC的替代方案

一些无源元件制造商通过调节电介质开发了具有低可听噪声的MLCC。这些MLCC可以帮助降低可听噪声，但无法完全消除噪声。其他解决方案与此类似，例如调整布局或选择具有不同特性的MLCC等。

由于电容器层变形是引起这种噪声问题的根源，相比于MLCC，优先选择钽电容器。然而，这些电容器的化学组成（MnO2）使其存在安全隐患，因为它们很容易引发火灾，这是大多数应用无法接受的。其他类型的电容器（如铝电解电容器）通常电气性能不够好，无法广泛使用。

另一种替代方案是所谓的POSCAP。这些复杂的聚合物/钽电容器在笔记本电脑等应用中得到广泛使用，因为它们的结构消除了噪声，并且在性能方面优于其他所有类型的电容器，特别是在偏差效应方面。例如，只需要较少的POSCAP电容器，就可以获得与多个并联MLCC相当的电容。

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