一种消除叠层电容叫声的方法
时间：2023-02-14 22:25:04 来源：千叶帆 本文已影响人
张鹏程
（深圳市绘王动漫科技有限公司）
在解决电路板振动引起的电容器啸叫中，通过使用比一般普通电容的陶瓷材料更低介电率的材料，可以减少电容器的压电效应，此类低介电率电容产品如钽电容、涤纶、电解质等，但这些都由于电容和贴片费用，大大增加产品的成本，本文提出一个简单且成本低的方案。
会发声的电容基本上都是片式叠层（或叫多层）陶瓷电容器MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）。这些电容都是由印好电极的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层，MLCC电容的端子电极（金属层）是由铜（Cu）底层、镍（Ni）镀层、锡（Sn）镀层构成。从叠层陶瓷电容的结构上来看，由于陶瓷介质自身特性是可变的，通过调整介电常数、微粒结构、陶瓷层的精细程度等可以制造出高精度、高品质的电容。多层压片工艺也使相同规格的电容体积大幅度的下降，随着移动便携产品的普及和便携性，原来的钽电容和铝电解电容逐步被体积更小的陶瓷电容器所取代，但是随着电子设备的多功能化和静音化的发展，在笔记本电脑、移动电话（智能手机）、数码相机、薄型电视等电源电路中，陶瓷电容器发出声音的问题引起人们越来越多的重视。如图 1所示，由于陶瓷的强介电性会引起压电效应，叠层电容在施加交流电之后，会在叠层方向（Z轴）发生伸缩。因为介电体的泊松比（横向变形系数）伸缩一般为0.3左右，所以与叠层方向（Z轴）垂直的方向（X与Y轴），即与电路板平行的方向也会发生伸缩，结果导致电路板表面产生振动并能够听到声音。虽然电容器以及电路板的振幅仅为 1pm～1nm，但振动声音已足够大到可以听见，会听到类似“叽”的声音。
图1 MLCC电容产生啸叫的原因
啸叫比较显著的应用场所：
1）实际上，对于X7R/X5R这些需要用的高容量的叠层电容MLCC，当电压很大的纹波加在这些电容上时，同时当纹波频率在20Hz～20kHz人耳听觉范围以内时，就会产生很明显的啸叫。在手机设计中，对于2G射频PA的GSM信号是脉冲发射的，每秒发射217次，虽然每次发射时间只有几毫秒，但是发射期间的脉冲电流却可达2A以上。对于其电源滤波，当手机射频PA发送GSM信号时，会从电源端抽取大量的电流，作为电源滤波电容的MLCC上的电压也会因此被拉低，此时不仅是PA自身输入端口的滤波电容，整个电源网络中的MLCC电压都会拉低，形成217Hz的周期性纹波，当纹波大到一定程度时，就容易产生电容啸叫。
2）在开关电源电路中，其轻载模式时，一般都会进入节能模式。在这种节能模式下，系统这时处于半开环模式，芯片在监控反馈电压但是不采取实时响应，只有当输出电压低于阈值时，才会发送几个PWM脉冲，让开关管进行动作以保证输出电压不至于落到阈值以下。如果看轻载模式时的开关管波形，就可以看到开关管并不是连续开关动作，而是间歇性的工作。因此节能模式下的开关频率会比正常工作时的开关频率低很多，这样输出电容上的电压纹波频率就会落入人耳可听频率范围内。
3）当然在电磁手写电路，发射和接收也是间歇工作的，这样在电源滤波电路上也同样会产生此叠层电容的啸叫。以此同理，对于日常电路有类似设计中都会出现叠层电容的啸叫。
1）如图2所示，设计一种叠层电容两边端子上各加一个支架的方法，这种电容在日产电容，如村田、松下等品牌电容器厂家都有不同规格选择。但是这种电容的生产工艺复杂，造成成本的增加，因此，几乎没有多少厂家选用此种方法。
图2 有支架的电容
2）在有些啸叫原因中，可以在IC设计方面给予解决，其实如果芯片设计时就考虑可能存在电容啸叫的问题，比如对于多路调光PWM控制的电路中，可以采用不同的各路输出相位延迟，就好像是“化整为零”和“正负抵消”一样，很大程度上减小了由开关动作产生的电容开关纹波，从而减小电容啸叫，这样很好地解决此问题。
3）对于开关电源，由于在待机模式，由于各种模式的频繁切换造成的叠层电容的啸叫，适当用芯片控制其模式（在待机和唤醒确定后再设置开关电源的开关控制模式）。在另一种开关电源中，其BUCK电源开关控制通常有PWM和PFM两种工作模式。PWM工作模式时纹波小，用在负载功耗比较高的条件下，为了避免BUCK在PWM工作模式时给电容充电的开关频率进入人耳范围内引起啸叫，也可以将电源的开关频率在设计时会刻意避开20Hz～20kHz这个开关频率范围，这样可以有效解决叠层电容的叫声。当然，BUCK电感的饱和电流选取不合适时，有可能使得输出电流增加，会误触发电源进入过流保护，电源在正常工作模式和过流保护模式之间反复切换，也有一定可能引起啸叫，电感选取一定要合适。
以上提到的方法，除了村田、松下支架叠层电容解决电容的叫声，都是叠层电路叫声在通常电路应用中的特例情况下的应用场景所采取的有针对性的特殊方法，但日常设计电路如电磁手写电路等存在大量的普通的设计电路，同样存在相同的叠层电容的啸叫问题。本文就是针对大量的普通电路给出一种行之有效的处理叠层电容在电路中叫声的处理。
（1）线路板结构
在图3中，分清PCB 印制板的结构图，包括PCB基板，铜箔层，阻焊层（绿油层）。图3中的尺寸为通常制板特例。
图3 线路板剖面图
针对单面贴方式，即单面板从上到下分别是绿油层、铜箔层、PCB基板，对于双面贴从上到下分别是绿油层、铜箔层、PCB基板、铜箔层、绿油层，其后续的处理方法也是同样的道理。
（2）现有叠层电容贴片焊接剖面结构问题
贴片电容如图4所示，其中两边部分为焊接面，中间部分为电容主体，在正常电路设计当中，其生产贴片中，由于图 4叠层陶瓷电容与PCB平贴，当电容中间电容本体向下伸缩形变时，由于叠层电容与其焊接的PCB没有间隙，电容主体部分会和贴片PCB正上方产生接触和离开的高频振动，从而会引起PCB 板表面也产生震动，并能听到声音，此频率通过陶瓷电容传导，同时包含人耳可以听到的交流电（频率为20Hz～20kHz），这样而引起叫声。
图4 叠层陶瓷电容
（3）具体的实现原理
以单面贴片为例，双面贴片原理相同。在图5中，为描述方便，将叠层电容分为三部分A、B、C，其中 A、B为焊接焊盘，C为产生向下伸缩的电容本体。
图5 叠层陶瓷电容贴片剖面图
电路板基板厚度1.2mm（以1.2为例），铜箔厚度35μm（以35μm为例），绿油层（阻焊层）为10μm。
此种方案中，在PCB 制作时，在电容C区域正下方且大于C面积的部分D区域，为落空区（但不开槽），即无铜箔层，绿油层，当然也无锡膏。
需要制作PCB及贴片时符合以下条件：
1）电容下面落空区域稍大于电容本体C区域；
2）贴片时贴片电容要求位置及钢网准确。
电容器以及电路板的振幅为1pm～1nm；
而D区域的高度为0.1mm＋35μm，而1毫米（mm）=1000 微米（μm），1微米（μm）＝1000纳米（nm），1纳米（nm）＝1000 皮米（pm）。因此，只要贴片位置准确，D区域的高度远大于电容器的振幅1nm。以上参数为PCB设计的一般参数，对于不同的厂家参数，设计人员可以适当更改适应此方案。这样电容C区域向下伸缩的部分D区域造成电容伸缩无法造成电路板产生同样的伸缩，也就不会产生震动和声音。
还有另一种实现方式，如图6所示，在有叫声问题的叠层电容，PCB设计为图6的方式，在图5中，D区域正下方PCB机体设计为槽型落空，同时要注意开槽的大小一方面可以解决叠层电容的叫声，同时也要方便生产，通过此种方式，也同样可以达到消除叠层电容叫声的目的。
图6 叠层陶瓷电容贴片剖面图
在超薄产品的不断普及下，电子产品的啸叫问题尤为突出，有很多方法处理，当然还有村田、松下电容为处理此问题专门给电容安装一个焊接座等方法，所有这些方法都无可例外地增加了成本，或为特殊电路提出的一种特殊的针对性方案，本文提出的两个方案只需要在PCB设计时，对于特殊叠层电容的封装库做相应的处理，相对无需增加成本，只需要修改部分0402、0603、0805、1206、1210等电容封装，也可以解决特殊电路以外解决不了的通用电路叠成电容叫声处理，确实是一个简单通用且无成本的方案。
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