嘯叫是指聽到來自PCB板的類似“嘰”或“吱”聲音的現象。例如,聽說有的便攜設備用的廉價充電器發出相當大的嘯叫音。
可能有些設備或環境即使產生了嘯叫也未注意到,或者是不在意的現象,但如果在就寢時的安靜環境中,應該可以注意到便攜設備充電器等的嘯叫聲。另外,音頻設備等聽到在播放聲音之外的聲音就是比較嚴重的問題了。
首先,講解一下嘯叫的機理。
高介電常數的陶瓷電容器具有給電介質施加電壓時,電介質變形(失真)的特性。這是壓電效應的相反現象,被稱為“逆壓電效應”。此外,有時也將具有這種特性表達為“壓電性”或“逆壓電性”。如果施加的是DC電壓,則僅產生相應的失真,而如果是有振幅的電壓,則使MLCC周期性地變形并引起PCB板振動。如果其頻率是可聽頻段20Hz~20kHz,就可聽到聲音。
上圖是更具體的示意圖,表示施加電壓與MLCC變形的關系。從開關電源考慮,輸出電壓是DC,包括開關頻率引起的紋波電壓。輸出紋波誘發被用作輸出電容器的MLCC的振動。
在PCB板中,由于在MLCC兩端的電極為焊接,電極間的長度方向的變形(圖中藍色的雙箭頭)使PCB板表面(圖中黃綠色的雙箭頭)變形,如此反復導致振動。該振動通過PCB板的傳導被放大,成為人耳能聽到的程度的音壓是嘯叫。當然,條件是振動的頻率為可聽頻段。
嘯叫是種典型的現象,有怎樣的對策呢?
嘯叫不僅與電介質材料和電容器的形狀有關,也與PCB板的尺寸和安裝狀態等有關,實際上需要進行電容器自身的對策和布局兩方面的探討。不管怎樣,讓嘯叫完全消失是相當難的,可采用改善到容許范圍內的方法。在此介紹4個對策。
①通過材料進行改善
開發出使用了逆壓電效應很低、即變形較小的電介質材料的MLCC。基本上如右圖所示,低介電常數材料的失真更低。例如,有LD(Low Distortion)系列等可降低嘯叫的產品群。
②通過電路板設計進行改善
這是PCB板方面的改善。例如,對于同一電源線,如圖所示,兩面安裝相同的MLCC。兩個MLCC的振動相反相互抵消,振動被緩解。
③通過結構進行改善:LW(長度-寬度)逆轉結構
MLCC的電極間的長度通常大于寬度。通過縮短電極間的長度,可減輕導致PCB板振動的電極間的變形。如圖所示,準備了寬度較電極間寬的類型的MLCC。圖中稱為“RGC”的是逆轉結構型。
④通過結構進行改善:金屬框架型
在彎曲應力的對策中提過的金屬框架型MLCC也有助于改善嘯叫。從結構立刻可以想象到,金屬框架吸收MLCC的振動。
各種對策的效果是怎么樣的?
這四個對策之中,可以預期金屬框架有很好的效果。看試驗數據就一目了然了。從以下數據可以看出,金屬框架型與標準品相比,最大可改善約30dB的音壓。
關于嘯叫的對策,要注意的地方
嘯叫如前面所提到的,不僅與MLCC的材料和形狀有關也與PCB板和安裝有關,因此有些情況需要從不同的角度來多方研究。不僅是改善效果的大小,為了改善嘯叫有可能要變更PCB板布局和元器件。現實中,這些有可能是限制事項,有時需要權衡。
例如,雖然金屬框架型的改善效果很好,但對元器件的高度有限定時,可能無法使用。相反,如果因改善效果不錯、可解決高度問題而采用LW逆轉型,則需要變更布線模式和布局。下表總結了這些限制事項與對策的關系,僅供參考。
電容器制造商可以采取包括這些方法在內的綜合嘯叫對策,所以咨詢制造商也是良策。
另外,嘯叫對于疊層陶瓷電容器自身的可靠性有不良影響嗎?例如,如果響聲不是問題,可以對響聲置之不理地繼續使用下去嗎?
嘯叫被認為對MLCC自身沒有影響。MLCC自身的振動非常小,僅為微米~納米級別。相比之下,利用壓電效應的壓電蜂鳴器和陶瓷振蕩器等,是積極的利用了高達幾十倍振動的產品,具有充分的可靠性。從這點看也可以理解MLCC的逆壓電效應對可靠性并沒有特別的影響。
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