笔记本电脑中的电源线MLCC啸叫对策

周五, 26 一月 2018 - 14:05

以往，电子设备上多使用钽电容器和铝电解电容器，但是近年来由于产品小型化和可靠性问题，已经开始替换为陶瓷电容器。

随着电子设备的多功能化和静音化的发展，笔记本电脑和移动电话（智能手机）、数码相机、薄型电视等电源电路中，以往不起眼的陶瓷电容器产生的『啸叫(声音)』成为一大设计难题。

笔记本电脑中，电源线上使用的电容器产生的『啸叫(声音)』成为难题。

当更改为睡眠状态/摄像头启动等工作模式时，笔记本电脑的内部工作将发生变化，因此『啸叫(声音)』的大小根据工作模式而变化，听的方式也不同。

在此介绍电容器啸叫产生的原理以及笔记本电脑电源线『啸叫(声音)』的评估和对策方法。
<img alt="笔记本电脑" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="37a7348d-1a96-441c-a34b-48785a1aa45a" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%AC%94%E8%AE%B0%E6%9C%AC%E7%94%B5%E8%84%91.jpg" />
笔记本电脑中易于发生『啸叫(声音)』的工作模式

<ul>
<li>睡眠模式</li>
<li>液晶背光的PWM调光</li>
<li>摄像头启动</li>
<li>视频播放</li>
</ul>

<h3>啸叫的产生原理</h3>

为什么陶瓷电容器会产生『啸叫(声音)』？
<img alt="啸叫的产生原理" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="0b15a24e-9c2c-4751-9f23-3b8d7eacd365" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%95%B8%E5%8F%AB%E7%9A%84%E4%BA%A7%E7%94%9F%E5%8E%9F%E7%90%86.JPG" />
下面将对『啸叫的产生原理』和本公司进行的『啸叫的评估方法』进行讲解。
<img alt="啸叫的评估方法" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="9563db7b-118b-4a18-ad26-a561eb484a14" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%95%B8%E5%8F%AB%E7%9A%84%E8%AF%84%E4%BC%B0%E6%96%B9%E6%B3%95.JPG" />
<h3>啸叫的评估方法</h3>

1) 声压级测量

通过测量「声压级」，量化（数值化）啸叫。
<img alt="声压级测量" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="fcb6b590-9537-4904-a263-e4efc1530628" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%A3%B0%E5%8E%8B%E7%BA%A7%E6%B5%8B%E9%87%8F.jpg" />
电波暗箱中使测量物体处在工作状态，通过话筒，用声级计测量声压级。

此外，为了评估和对策，用FFT分析仪确认声压级的频率特性。
<img alt="电波暗箱" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="e4e77db2-c3f3-4667-b69e-54c56de5affb" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%94%B5%E6%B3%A2%E6%9A%97%E7%AE%B1.jpg" />
2) 基板的位移量测量

通过测量基本的位移量，可确认电容器使基板振荡。
<img alt="基板的位移量测量" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="f8288467-4b76-4ad2-907d-55060f68f24d" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9F%BA%E6%9D%BF%E7%9A%84%E4%BD%8D%E7%A7%BB%E9%87%8F%E6%B5%8B%E9%87%8F.jpg" />
在使测量物体工作的状态下，激光照射在基板上，检测出反射光的多普勒频谱仪测量基板的位移量。
<img alt="激光光源" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="590ddb73-9c3d-4168-baed-572242593388" src="/sites/default/files/inline-images/%E6%BF%80%E5%85%89%E5%85%89%E6%BA%90.jpg" />
3) 电压变动测量

通过测量电容器端的「电压变动」，可调查对象电容器是否是产生啸叫的原因。
<img alt="电压变动测量" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="6cad2fcb-983b-4425-8c07-ee6b173caac4" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%94%B5%E5%8E%8B%E5%8F%98%E5%8A%A8%E6%B5%8B%E9%87%8F.jpg" />
在使测量物体工作的状态下，来确认可听领域频率（20Hz-20kHz）的纹波电压是否施加到电容器上。
<img alt="示波器" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="703f185e-7255-417e-8a9e-ee72916cf572" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%A4%BA%E6%B3%A2%E5%99%A8.jpg" />
4) 关于声压级和基板的位移量关系

电容器是产生啸叫的原因时，基板的位移量和声压级一样频率变高。 
（红色点线框内）
<img alt="关于声压级和基板的位移量关系" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="1e5f5412-c96c-428a-9260-2c45e9108206" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%85%B3%E4%BA%8E%E5%A3%B0%E5%8E%8B%E7%BA%A7%E5%92%8C%E5%9F%BA%E6%9D%BF%E7%9A%84%E4%BD%8D%E7%A7%BB%E9%87%8F%E5%85%B3%E7%B3%BB.jpg" />
5) 关于声压级和电压变动关系

电容器端的电压变动频谱，和声压级频谱一样，频率变大时（红色点线框内），可判断该电容器是啸叫产生原因。
<img alt="关于声压级和电压变动关系" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="798894f0-678f-4cb4-9767-5a22d71b9cf6" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%85%B3%E4%BA%8E%E5%A3%B0%E5%8E%8B%E7%BA%A7%E5%92%8C%E7%94%B5%E5%8E%8B%E5%8F%98%E5%8A%A8%E5%85%B3%E7%B3%BB.jpg" />
<h3>笔记本电脑的评估</h3>

1) 操作模式不同，声压级也不同

当更改睡眠状态/摄像头启动等工作模式时，笔记本电脑的内部工作将发生变化，所以声压级/基板的位移量/电压变动也发生变化。

需要再易于产生啸叫的工作模式进行评估。
<img alt="睡眠状态" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="44f7c69a-4726-41f6-a13e-0a7707189de5" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%9D%A1%E7%9C%A0%E7%8A%B6%E6%80%81.jpg" /><img alt="摄像头启动" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="284c727e-fee4-4caf-b2c8-67cfe2ebe3a4" src="/sites/default/files/inline-images/%E6%91%84%E5%83%8F%E5%A4%B4%E5%90%AF%E5%8A%A8.jpg" />
2) 笔记本电脑上容易成为『啸叫』原因的电容器是

2-1）笔记本电脑的电源线模式图 
笔记本电脑中的电源线（DC-DC converter的一次侧）多使用电容器。若在该电源线上使用陶瓷电容器时，有时会产生啸叫。
<img alt="笔记本电脑的电源线模式图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="2c61e8f8-cb02-42c3-92e8-58b67a7351a3" height="385" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%AC%94%E8%AE%B0%E6%9C%AC%E7%94%B5%E8%84%91%E7%9A%84%E7%94%B5%E6%BA%90%E7%BA%BF%E6%A8%A1%E5%BC%8F%E5%9B%BE.jpg" width="614" />
2-2）电源线的电容器容易产生『啸叫』的原因

<ul>
<li>使用大静电容量的电容器</li>
</ul>

⇒ 高介电常数的介电体受电场的膨胀收缩变大。

<ul>
<li>给CPU，摄像头，RF模块等各电路供电。 </li>
</ul>

⇒ 很容易引起电压变动。

<ul>
<li>电源线的电压高达10-20V。 </li>
</ul>

⇒ 容易产生与电场成正比的逆压电应变。

3) 笔记本电脑的电源线框图
<img alt="笔记本电脑的电源线框图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="377554a0-a5ba-4fac-a5c5-b1a9813722b0" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%AC%94%E8%AE%B0%E6%9C%AC%E7%94%B5%E8%84%91%E7%9A%84%E7%94%B5%E6%BA%90%E7%BA%BF%E6%A1%86%E5%9B%BE.jpg" />
<h3>笔记本电脑的啸叫对策替换事例</h3>

电源线上『啸叫』成为问题时 
电源线的电容器（12V电源线）

1) 电容器的搭载位置

电源线的电容器1206 inch尺寸/10uF产品共计21个。分别贴装在CPU等5种电路（电路A～E）。
<img alt="电容器的搭载位置" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4206cf40-f13f-4505-b8b6-b5a3ff37a98f" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%99%A8%E7%9A%84%E6%90%AD%E8%BD%BD%E4%BD%8D%E7%BD%AE.jpg" />
2) 笔记本电脑的电源线框图

以粉色框的电源线的电容器为对象，实施了啸叫评估、对策。
<img alt="笔记本电脑的电源线框图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="696809de-7c8b-4d4b-b837-45f1c090e278" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%AC%94%E8%AE%B0%E6%9C%AC%E7%94%B5%E8%84%91%E7%9A%84%E7%94%B5%E6%BA%90%E7%BA%BF%E6%A1%86%E5%9B%BE_0.jpg" />
3) 替换评估结果

以下所示的数据是由本公司实施评估所得的参考值。基板形状、元件的贴装状态等条件不同，声压级降低效果也有所差异。并不保证所有外壳都能获得效果。

工作模式不同声压级也不同，对声压级高的摄像头启动、睡眠状态、视频播放（液晶画面亮度max）、待机画面4种类型的工作模式进行啸叫评估、对策。

※所有评估均在FULL充电后、连接AC适配器的状态下进行。
<img alt="替换评估结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="39100351-93a0-4867-a212-3a6b3ffff3a9" src="/sites/default/files/inline-images/%E6%9B%BF%E6%8D%A2%E8%AF%84%E4%BC%B0%E7%BB%93%E6%9E%9C.jpg" />
将电源线的电容器全部替换为啸叫对策元件「KRM」，如下所示可降低声压级。
<img alt="可降低声压级" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="68dbb2bb-eafb-4bf4-902c-cdbf85e8f77d" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%8F%AF%E9%99%8D%E4%BD%8E%E5%A3%B0%E5%8E%8B%E7%BA%A7.jpg" />
接下来展示各操作模式的结果详情。

＜替换结果详情 (1/4) ＞摄像头启动
<img alt="摄像头启动" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="97786693-4602-4c63-a576-86c053414b5a" src="/sites/default/files/inline-images/%E6%91%84%E5%83%8F%E5%A4%B4%E5%90%AF%E5%8A%A8_0.jpg" />
＜替换结果详情 (2/4) ＞视频播放
<img alt="视频播放" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="31dca395-079d-4eb6-ac87-4a205715fed4" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%A7%86%E9%A2%91%E6%92%AD%E6%94%BE.jpg" />
＜替换结果详情 (3/4) ＞睡眠状态
<img alt="睡眠状态" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="dd9a41f3-0d91-41d4-a79d-d32435103b70" height="390" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%9D%A1%E7%9C%A0%E7%8A%B6%E6%80%81_0.jpg" width="660" />
＜替换结果详情 (4/4) ＞待机画面
<img alt="待机画面" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="6f1f3d13-d59c-4156-9694-8efa9343524d" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%BE%85%E6%9C%BA%E7%94%BB%E9%9D%A2_0.jpg" />
<h2>每个电路替换为啸叫对策元件（KRM）时的声压级变化 (1/2)</h2>

电源线的电容器（粉红框内所示的位置）通过DC-DC converter分散到各电路前，因为在相同电源线上，所以具有相同的电压变动。

将每个电路上的该电源线的电容器替换为啸叫对策元件进行评估。
<img alt="电压变动频谱" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="1c2d8219-d125-4aca-b453-3528e1dbb4b0" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%94%B5%E5%8E%8B%E5%8F%98%E5%8A%A8%E9%A2%91%E8%B0%B1.jpg" />
<h3>每个电路替换为啸叫对策元件（KRM）时的声压级的变化 (2/2)</h3>

上图所示的电源线的电容器按照电路[A-E]的顺序，将普通电容器（GRM）替换为啸叫对策元件（KRM）。 
由于替换为KRM数量的增加，声压级逐渐降低。

将电源线的电容器全部替换为啸叫对策元件「KRM」，可降低以下声压级。
<img alt="声压级" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="f072fe31-d45a-4414-b782-3f87e4a27a6e" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%A3%B0%E5%8E%8B%E7%BA%A7.jpg" />
<h3>总结</h3>

1）『啸叫』的发生原理

一旦交流电场被施加在高介电常数材料的电容器上，电容器变形振动，使基板振荡，该振荡周期成为可听领域的频带（20Hz～20kHz）时，电容器产生的啸叫就成为“刺耳的声音”。

2) 啸叫的评估方法

进行声压级的测量和『啸叫』的定量化。 
进行电压变动/基板的位移量的测量、评估。调查啸叫产生原因。 
替换为啸叫对策产品。进行声压级的测量、评估，确认效果。

3) 笔记本电脑中易产生『啸叫』的电容器和工作模式

笔记本电脑中的电源线（DC-DC converter的一次侧）使用电容器。 
该电池线通常电压很高，此外向消耗电力大的电路供电，所以很容易引起电压变动，对于电容器来说，很容易形成引起啸叫的工作条件。 
此外，易产生『啸叫』的工作模式有睡眠模式/摄像头启动/液晶背光的PWM调光/视频播放。

4) 笔记本电脑的替换评估

改变工作模式，笔记本的电脑内部的工作也会发生改变，需要对易产生啸叫的工作模式分别进行评估。 
电源线（DC-DC converter的一次侧）上使用多个陶瓷电容器时，电源线的一部分电容器不是啸叫对策，通过全部电容器的啸叫对策，可进一步降低声压级。

<h3>啸叫对策元件的介绍</h3>

＜对『啸叫』产生影响的原因以及对策＞

村田根据由于陶瓷电容器影响造成啸叫问题时，对啸叫产生影响的原因，提出使用啸叫对策元件和元件安装等方案，对应啸叫问题改善。
<img alt="啸叫对策元件的介绍" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b67ab0ac-3f2a-4372-94ad-6ed0f44b7245" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%95%B8%E5%8F%AB%E5%AF%B9%E7%AD%96%E5%85%83%E4%BB%B6%E7%9A%84%E4%BB%8B%E7%BB%8D.jpg" />
难以将振动传播到基板，控制圆角。 
＜KRM系列＞

使用端子板等将陶瓷电容器从电路板上浮起来安装，带有金属端子的型号可以抑制振动传递到电路板上。

<a href="http://psearch.cn.murata.com/capacitor/lineup/krm/" target="_blank">KRM系列阵容请查看此处。＞</a>

＜ZRA/ZRB系列＞

通过将陶瓷电容器贴装在插入板上，抑制电容器振荡传播的类型。

<a href="http://psearch.cn.murata.com/capacitor/lineup/zra/" target="_blank">ZRA系列阵容请查看此处。＞</a> 
<a href="http://psearch.cn.murata.com/capacitor/lineup/zrb/" target="_blank">ZRB系列阵容请查看此处。＞</a>

使用不易产生啸叫的材料。 
＜GJ4/GJ8系列＞

使用比传统的陶瓷材料低介电常数的材料，降低电容器的失真量的类型。 
<a href="http://psearch.cn.murata.com/capacitor/lineup/gj4/" target="_blank">GJ4系列阵容请查看此处。＞</a> 
<a href="http://psearch.cn.murata.com/capacitor/lineup/gj8/" target="_blank">GJ8系列阵容请查看此处。＞</a>

<h3>啸叫的产生原理（补充）</h3>

多层陶瓷电容器上使用的铁电体必须有压电性。 
存在电场时，发生失真，由于芯片膨胀、收缩，产生『啸叫(声音)』
<img alt="啸叫的产生原理" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="cbe3fd3b-86f4-4082-8c8a-957520357775" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%95%B8%E5%8F%AB%E7%9A%84%E4%BA%A7%E7%94%9F%E5%8E%9F%E7%90%86.jpg" />