Акустический шум MLCC

Поют насекомые и птицы, поет и звучит родниковая вода, а звук возникает от вибрации предметов. Хорошо известно, что человеческое ухо способно распознавать звуковые волны с частотой вибрации 20–20 кГц. Однако многослойные керамические конденсаторы с кристаллами (MLCC) иногда издают акустический шум. Что происходит?

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) состоят из керамической среды и металлического внутреннего электрода, которые наложены друг на друга в шахматном порядке. После однократного высокотемпературного спекания формируется керамический чип, а затем внешний электродный металлический слой герметизируется с обоих концов чипа. Система диэлектрического материала этого типа керамического конденсатора в основном делится на два типа: керамический диэлектрик I и керамический диэлектрик II.

I керамический диэлектрик относится к параэлектрическим средам (основные материалы – SrZrO3, MgTiO3и т. д.), а керамический диэлектрик не вызывает электрострикционной деформации. Таким образом, MLCC, изготовленный из керамического диэлектрического материала I, такого как керамический конденсатор с характеристиками CG, не будет создавать акустический шум при работе, но диэлектрическая проницаемость этого типа среды очень мала, обычно между 10 ~ 100, поэтому она не может производить конденсатор большой емкости.

Среды типа Ⅱ относятся к сегнетоэлектрическим средам (основной материал — BaTiO3, БаСрТиО3и т. д.), а сегнетоэлектрики будут вызывать электрострикционную деформацию. MLCC, изготовленные из диэлектриков типа II, таких как X7R, X5R и т. д., обычно имеют диэлектрическую проницаемость от 2000 до 4000, а емкость конденсатора относительно велика, и под действием специфический сигнал переменного тока.

Почему MLCC имеет акустический шум

Чтобы лучше понять природу акустического шума конденсатора, давайте сначала разберемся с природным явлением — пьезоэлектрическим эффектом.

В 1880 году братья Пьер Кюри и Жак Кюри открыли, что турмалин обладает пьезоэлектрическим эффектом. В 1984 году немецкий физик Водемар Фойт пришел к выводу, что пьезоэлектрический эффект могут иметь только кристаллы с 20 точечными группами без центра симметрии. Пьезоэлектрический эффект обусловлен особым расположением атомов в кристаллической решетке пьезоэлектрического материала, благодаря которому материал обладает эффектом связи поля напряжений и электрического поля.

Академическое определение пьезоэлектрического эффекта таково: при деформации определенных диэлектриков внешними силами в определенном направлении внутри них возникает поляризация, при этом на двух его противоположных поверхностях появляются положительные и отрицательные заряды. Когда внешняя сила будет удалена, он вернется в незаряженное состояние. Это явление называется положительным пьезоэлектрическим эффектом. При изменении направления силы меняется и полярность заряда. Напротив, когда электрическое поле прикладывается к направлению поляризации диэлектрика, эти диэлектрики также будут деформироваться. После снятия электрического поля деформация диэлектрика исчезает. Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом или электрострикцией. Эти два положительных и обратных пьезоэлектрических эффекта вместе называются пьезоэлектрическими эффектами. Пьезоэлектрический эффект — явление, при котором в диэлектрических материалах происходит обмен механической и электрической энергией.

Очевидно, что обсуждаемый нами акустический шум конденсатора MLCC относится к категории обратного пьезоэлектрического эффекта. Вообще говоря, под действием внешнего электрического поля сегнетоэлектрическая керамическая среда с пьезоэлектрическим эффектом будет расширяться и сжиматься. Этот вид расширения и сжатия называется электрострикцией. Электрострикционные свойства разных керамических сред также различны. Для конденсаторов других типов, поскольку материал диэлектрика не обладает пьезоэлектрическим эффектом или пьезоэффект минимален, вой в цепи обусловлен в основном вибрацией, создаваемой обратным пьезоэлектрическим эффектом сегнетоэлектрической керамической среды MLCC.

（Источник изображения）

Как показано на рисунке выше, сегнетоэлектричество сегнетоэлектрической керамической среды будет создавать шум пьезоэлектрического эффекта. Общий коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации) диэлектриков MLCC составляет около 0,3. После подачи сигнала переменного тока многослойные керамические конденсаторы растягиваются и деформируются в направлении, параллельном направлению укладки и печатной плате, и результирующая амплитуда обычно составляет от пм до нм. Когда он не припаян к печатной плате, акустическое сопротивление отдельного конденсатора отличается от сопротивления воздуха, но в этом случае его должно быть почти не слышно. Когда керамический конденсатор припаян к печатной плате, конденсатор и печатная плата жестко соединены, и деформация конденсатора потянет печатную плату. Печатная плата становится преобразователем акустического импеданса. Когда частота вибрации достигает различимойчастотный диапазон (20 Гц ~ 20 кГц) человеческого уха, тогда вы услышите акустический шум.

В каких случаях MLCC издает акустический шум

В обычных аудиосхемах, особенно аудиофилы, люди обычно предпочитают использовать рубиновые, черные алмазные и другие электролитические конденсаторы. Поскольку рабочая частота аудиосхемы обычно относительно низкая, например несколько кГц или десятки кГц, и сегнетоэлектрический керамический конденсатор может издавать свистящий звук, который может быть услышан человеческим ухом на этой рабочей частоте. Этот эффект будет потерян на частотах значительно выше 30 кГц, поскольку сам конденсатор не может быстро отреагировать на изменение уровня давления. Таким образом, пиковый диапазон отклика и шумовые характеристики определяют, что эти конденсаторы следует использовать с осторожностью в аудиосхемах и схемах с высоким коэффициентом усиления.

Под действием определенных сигналов переменного тока MLCC, в которых используются сегнетоэлектрические керамические диэлектрики (например, X7R/X5R), могут издавать вой. Сильный вой возникает из-за сильной вибрации, а амплитуда вибрации определяется степенью пьезоэлектрического эффекта, который пропорционален напряженности электрического поля. Когда приложенное напряжение постоянно, чем тоньше среда, тем сильнее пьезоэлектрический эффект и громче воющий звук.

Каково влияние акустического шума MLCC

Из-за существования емкостного воя, когда мобильные электронные устройства находятся близко к человеческим ушам, слышимый шум, создаваемый электронными продуктами (ноутбуками, планшетами, смартфонами и т. д.), будет влиять на чувства пользователя, а сильный вой заставит людей чувствовать себя раздражительными. .

Под действием переменного электрического поля сегнетоэлектрические домены сегнетоэлектрических керамических конденсаторов будут поочередно поворачиваться при изменении направления электрического поля, вызывая трение внутри сегнетоэлектрических доменов и увеличивая вероятность выхода из строя конденсатора. Кроме того, появление свиста конденсатора также свидетельствует о том, что пульсации напряжения на конденсаторе слишком велики. Сильные пульсации напряжения повлияют на нормальную работу схемы и приведут к ее ненормальной работе.

Как решить проблему акустического шума MLCC

Существует множество способов решения проблемы воющего шума, создаваемого конденсаторами MLCC, и решение может увеличить стоимость.

1. Изменение типа диэлектрического материала конденсатора является наиболее прямым методом. Вместо этого используйте керамические конденсаторы класса I, пленочные конденсаторы, танталовые электролитические конденсаторы, алюминиевые электролитические конденсаторы и другие конденсаторы, не обладающие пьезоэлектрическим эффектом. Однако необходимо учитывать такие вопросы, как объемное пространство, надежность и стоимость.

2. Отрегулируйте схему так, чтобы максимально исключить переменное напряжение, подаваемое на MLCC.

3. Отрегулируйте характеристики и расположение печатной платы, чтобы уменьшить вибрацию и снизить уровень шума.

4. Отрегулируйте размер MLCC.

5. Используйте MLCC без шума или с низким уровнем шума.

Исходя из этого, для самого продукта MLCC мы можем принять следующие стратегии решения.

(1) Утолщение защитного слоя. Поскольку толщина защитного слоя не имеет внутренних электродов, эта часть керамики BaTiO3 не будет деформироваться. Когда высота припоя на обоих концах не превышает толщину нижнего защитного слоя, возникающая в это время деформация будет оказывать меньшее влияние на печатную плату, что может эффективно снизить шум.

(2) Дополнительная металлическая опорная конструкция. Структурная схема кронштейнового конденсатора выглядит следующим образом. Для изоляции чипа MLCC от печатной платы используется металлический кронштейн. Обратный пьезоэлектрический эффект вызывает деформацию и упруго амортизирует металлический кронштейн, уменьшая воздействие на печатную плату, тем самым эффективно снижая шум.

(3) Принять ведущую структуру продукта. Принцип аналогичен металлическому кронштейну.

(4) Разработка и производство с использованием диэлектрических материалов со слабым пьезоэлектрическим эффектом. Путем дальнейшего легирования титаната бария (BaTiO3) с целью пожертвовать определенной диэлектрической проницаемостью и температурными характеристиками, получается диэлектрический материал со значительно уменьшенным пьезоэлектрическим эффектом, и изготовленные из него MLCC могут эффективно снижать шум.

(5) Конструкция, встроенная в подложку. Новая конструкция с конденсаторами, установленными на плате переходника, используется для подавления завывания.

Заключение

Основываясь на явлении акустического шума конденсаторов MLCC в сочетании со структурой чип-керамического диэлектрического конденсатора и характеристиками керамического диэлектрического материала, мы проанализировали механизм воя сегнетоэлектрических керамических диэлектрических конденсаторов и, наконец, перечислили решения и стратегии для решения проблемы. явление воя. . В различных сценариях применения инженерам в области электроники необходимо взвесить затраты и фактические последствия и выбрать лучшее решение для разработки более качественных продуктов.