一文说透陶瓷电容器啸叫现象及对策

周四, 16 四月 2020 - 09:12

随着人们对电子设备的需求趋于平缓，在笔记本电脑、手机、数码相机 (DSC) 等各种应用设备的电源电路方面，以前未引起重视的由电容器振动所产生的“啸叫”问题已成为设计方面的课题。
<img alt="笔记本电脑电源电路的啸叫示例部位" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="ca86b44a-bc4c-4f2c-afaa-a26f84c4c81f" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%EF%BC%9A%E7%AC%94%E8%AE%B0%E6%9C%AC%E7%94%B5%E8%84%91%E7%94%B5%E6%BA%90%E7%94%B5%E8%B7%AF%E7%9A%84%E5%95%B8%E5%8F%AB%E7%A4%BA%E4%BE%8B%E9%83%A8%E4%BD%8D.png" />
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笔记本电脑电源电路的啸叫示例部位
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MLCC电容器发生啸叫主要是由陶瓷的压电特性偶尔引起的。为了解决这种现象，村田制作所成功开发出了低啸叫电容器。

体验啸叫现象和直观对比低啸叫电容器效果，请点击<a href="http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU3NTk1MDgyOA==&mid=2247485193&amp…;上期推文观看视频（MLCC啸叫现象及对策）</a>。

视频演示中，用了三种不同系列的村田陶瓷电容器，分别是：

<ul>
<li>GRM系列：传统的陶瓷电容器。</li>
<li>GJ8系列：比传统的陶瓷材料拥有更低介电常数的材料并可降低电容器失真的类型。</li>
<li>KRM系列：在电路板的端子板等部位翘起安装陶瓷电容器，并对电路板振动传递进行抑制且装有金属端子的类型。</li>
</ul>

演示分别针对这3种电容器，通过人耳确认啸叫 (声音) 程度。在演示组件内产生12V的矩形波，并通过开关输入到各电容器中。在0Hz～12.75kHz的频率范围 (50HzStep) 内，通过使用电脑中的软件将矩形波的频率调整到电容器和电路板的共振频率上，从而产生啸叫现象。

啸叫原理

片状独石电容器由于强介电常数的陶瓷的压电特性，在施加交流电压的情况下，像下图所示进行收缩。
<img alt="施加电压时由压电现象造成的芯片变形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="69f4f37a-8c21-4e20-ba2e-88fd1321b0ef" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%EF%BC%9A%E6%96%BD%E5%8A%A0%E7%94%B5%E5%8E%8B%E6%97%B6%E7%94%B1%E5%8E%8B%E7%94%B5%E7%8E%B0%E8%B1%A1%E9%80%A0%E6%88%90%E7%9A%84%E8%8A%AF%E7%89%87%E5%8F%98%E5%BD%A2.png" />
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施加电压时由压电现象造成的芯片变形
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结果如下图所示，电路板将朝平面方向振动。(芯片及电路板的振幅仅为1pm～1nm左右)。
<img alt="因压电现象造成的电路板变形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="7cd3d342-0ec4-4ae6-931a-7997aef07c3f" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3%EF%BC%9A%E5%9B%A0%E5%8E%8B%E7%94%B5%E7%8E%B0%E8%B1%A1%E9%80%A0%E6%88%90%E7%9A%84%E7%94%B5%E8%B7%AF%E6%9D%BF%E5%8F%98%E5%BD%A2.png" />
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因压电现象造成的电路板变形
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该电路板的振幅周期在达到人们能够听到的频率带 (20Hz～20kHz) 时，声音可通过人耳识别。

啸叫解决方案产品介绍

(GJ8系列)

村田GJ8系列陶瓷电容器：

<ul>
<li>使用独创的陶瓷材料抑制电容器的振动</li>
<li>可解决能够听到的频率范围内的啸叫现象</li>
<li>为设备的小型化提供有力支持</li>
<li>出色的DC偏压特性</li>
</ul>
<img alt="比较GRM与GJ8系列的声压" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="1c63e9b6-5999-43af-80cf-6c9ec1463a20" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4%EF%BC%9A%E6%AF%94%E8%BE%83GRM%E4%B8%8EGJ8%E7%B3%BB%E5%88%97%E7%9A%84%E5%A3%B0%E5%8E%8B.png" />
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比较GRM与GJ8系列的声压
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<img alt="比较GRM与GJ8系列的DC偏压特性" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="dac0faed-4ee1-4222-b8d9-2d2b498b887e" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5%EF%BC%9A%E6%AF%94%E8%BE%83GRM%E4%B8%8EGJ8%E7%B3%BB%E5%88%97%E7%9A%84DC%E5%81%8F%E5%8E%8B%E7%89%B9%E6%80%A7.png" />
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比较GRM与GJ8系列的DC偏压特性
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啸叫解决方案产品介绍

(KRM系列)

村田KRM系列陶瓷电容具有：

<ul>
<li>独创的结构可降低电容器的啸叫现象</li>
<li>可吸收由热量和机械冲击引起的应力，实现高可靠性</li>
<li>在单一的收纳电容器的空间内可确保2倍的静电容量 (2个叠层型产品)</li>
</ul>
<img alt="KRM系列的结构1 " data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4e5bcb0e-db5c-460e-b7fd-a880d386db33" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE6%EF%BC%9AKRM%E7%B3%BB%E5%88%97%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%841.png" />
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KRM系列的结构1 
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<img alt="KRM系列的结构2" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="7d547d9d-3f86-4742-bce9-d8003ae283a5" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE7%EF%BC%9AKRM%E7%B3%BB%E5%88%97%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%842.png" />
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KRM系列的结构2
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演示专用电路板及软件

以下对本演示专用操作电路 (原理) 进行说明。

在演示组件 (SysCube) 的FPGA中，使用通过软件设置的频率 (周期) 制作矩形波 (3.3V振幅) 。通过解决啸叫现象的元件的主板上安装的FET，将该矩形波放大至12V，然后通过开关输入到对象电容器中。这正是电容器产生压电特性并产生啸叫现象的原理。通过使用软件修改矩形波的频率 (周期) ，可改变啸叫的音量。
<img alt="SysCube演示组件" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d6eff1c5-1cf2-45f1-8548-96eac9a215d7" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE8%EF%BC%9ASysCube%E6%BC%94%E7%A4%BA%E7%BB%84%E4%BB%B6.png" />
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SysCube演示组件
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演示专用对象元件是以下三种： 
(1) 普通产品: GRM31MR71E105KA01L (1206尺寸,1µF)  
(2) 材料修改产品: GJ831CC81E105KA01L (1206尺寸,1µF) 
(3) 金属端子产品: KRM31KR72A105KH01L (1206尺寸,1µF)
<img alt="低啸叫电容器评价演示的主电路板" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b1a70c5c-e71b-4d80-a1c2-36bc16003101" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE9%EF%BC%9A%E4%BD%8E%E5%95%B8%E5%8F%AB%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%99%A8%E8%AF%84%E4%BB%B7%E6%BC%94%E7%A4%BA%E7%9A%84%E4%B8%BB%E7%94%B5%E8%B7%AF%E6%9D%BF.png" />
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低啸叫电容器评价演示的主电路板
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演示软件功能：

频率调整功能: 可在0Hz～12.75kHz (50HzStep) 频率范围内任意调整频率。

内存功能: 修改频率，最多可将啸叫音量较大的频率保存到3处内存中，并可以调用。

自动滚动功能: 可在0Hz～12.75kHz频率之间自动扫描频率。(重复)
<img alt="共振频率调整专用软件的操作画面" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d9f727b3-a255-4eda-ad2e-92981b78c36a" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE10%EF%BC%9A%E5%85%B1%E6%8C%AF%E9%A2%91%E7%8E%87%E8%B0%83%E6%95%B4%E4%B8%93%E7%94%A8%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E7%9A%84%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%94%BB%E9%9D%A2.png" />
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共振频率调整专用软件的操作画面
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本系列产品可以帮助您解决啸叫现象

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了解详情，长按以下二维码
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<img alt="二维码" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b8090b07-5c47-4439-8266-9654cacda809" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE11_5.png" />
关于村田

株式会社村田制作所是一家进行基于陶瓷的无源电子元件与解决方案、通信模块和电源模块之设计、制造与销售的全球领先企业。村田致力于开发先进的电子材料以及领先的多功能和高密度模块。公司的员工和制造基地遍布世界各地。

文章来源：Murata村田中国