怎么降低MLCC压电效应和可听噪声

时间:2023-06-19作者:佚名

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。

怎么降低MLCC压电效应和可听噪声

  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)。

怎么降低MLCC压电效应和可听噪声

 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

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