一種消除疊層電容叫聲的方法

張鵬程

（深圳市繪王動(dòng)漫科技有限公司）

0 引言

在解決電路板振動(dòng)引起的電容器嘯叫中，通過使用比一般普通電容的陶瓷材料更低介電率的材料，可以減少電容器的壓電效應(yīng)，此類低介電率電容產(chǎn)品如鉭電容、滌綸、電解質(zhì)等，但這些都由于電容和貼片費(fèi)用，大大增加產(chǎn)品的成本，本文提出一個(gè)簡單且成本低的方案。

1 疊層陶瓷電容器的嘯叫原理介紹

會(huì)發(fā)聲的電容基本上都是片式疊層（或叫多層）陶瓷電容器MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）。這些電容都是由印好電極的陶瓷介質(zhì)膜片以錯(cuò)位的方式疊合起來，經(jīng)過一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層，MLCC電容的端子電極（金屬層）是由銅（Cu）底層、鎳（Ni）鍍層、錫（Sn）鍍層構(gòu)成。從疊層陶瓷電容的結(jié)構(gòu)上來看，由于陶瓷介質(zhì)自身特性是可變的，通過調(diào)整介電常數(shù)、微粒結(jié)構(gòu)、陶瓷層的精細(xì)程度等可以制造出高精度、高品質(zhì)的電容。多層壓片工藝也使相同規(guī)格的電容體積大幅度的下降，隨著移動(dòng)便攜產(chǎn)品的普及和便攜性，原來的鉭電容和鋁電解電容逐步被體積更小的陶瓷電容器所取代，但是隨著電子設(shè)備的多功能化和靜音化的發(fā)展，在筆記本電腦、移動(dòng)電話（智能手機(jī)）、數(shù)碼相機(jī)、薄型電視等電源電路中，陶瓷電容器發(fā)出聲音的問題引起人們越來越多的重視。如圖 1所示，由于陶瓷的強(qiáng)介電性會(huì)引起壓電效應(yīng)，疊層電容在施加交流電之后，會(huì)在疊層方向（Z軸）發(fā)生伸縮。因?yàn)榻殡婓w的泊松比（橫向變形系數(shù)）伸縮一般為0.3左右，所以與疊層方向（Z軸）垂直的方向（X與Y軸），即與電路板平行的方向也會(huì)發(fā)生伸縮，結(jié)果導(dǎo)致電路板表面產(chǎn)生振動(dòng)并能夠聽到聲音。雖然電容器以及電路板的振幅僅為 1pm～1nm，但振動(dòng)聲音已足夠大到可以聽見，會(huì)聽到類似“嘰”的聲音。

圖1 MLCC電容產(chǎn)生嘯叫的原因

嘯叫比較顯著的應(yīng)用場所：

1）實(shí)際上，對于X7R/X5R這些需要用的高容量的疊層電容MLCC，當(dāng)電壓很大的紋波加在這些電容上時(shí)，同時(shí)當(dāng)紋波頻率在20Hz～20kHz人耳聽覺范圍以內(nèi)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很明顯的嘯叫。在手機(jī)設(shè)計(jì)中，對于2G射頻PA的GSM信號(hào)是脈沖發(fā)射的，每秒發(fā)射217次，雖然每次發(fā)射時(shí)間只有幾毫秒，但是發(fā)射期間的脈沖電流卻可達(dá)2A以上。對于其電源濾波，當(dāng)手機(jī)射頻PA發(fā)送GSM信號(hào)時(shí)，會(huì)從電源端抽取大量的電流，作為電源濾波電容的MLCC上的電壓也會(huì)因此被拉低，此時(shí)不僅是PA自身輸入端口的濾波電容，整個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)中的MLCC電壓都會(huì)拉低，形成217Hz的周期性紋波，當(dāng)紋波大到一定程度時(shí)，就容易產(chǎn)生電容嘯叫。

2）在開關(guān)電源電路中，其輕載模式時(shí)，一般都會(huì)進(jìn)入節(jié)能模式。在這種節(jié)能模式下，系統(tǒng)這時(shí)處于半開環(huán)模式，芯片在監(jiān)控反饋電壓但是不采取實(shí)時(shí)響應(yīng)，只有當(dāng)輸出電壓低于閾值時(shí)，才會(huì)發(fā)送幾個(gè)PWM脈沖，讓開關(guān)管進(jìn)行動(dòng)作以保證輸出電壓不至于落到閾值以下。如果看輕載模式時(shí)的開關(guān)管波形，就可以看到開關(guān)管并不是連續(xù)開關(guān)動(dòng)作，而是間歇性的工作。因此節(jié)能模式下的開關(guān)頻率會(huì)比正常工作時(shí)的開關(guān)頻率低很多，這樣輸出電容上的電壓紋波頻率就會(huì)落入人耳可聽頻率范圍內(nèi)。

3）當(dāng)然在電磁手寫電路，發(fā)射和接收也是間歇工作的，這樣在電源濾波電路上也同樣會(huì)產(chǎn)生此疊層電容的嘯叫。以此同理，對于日常電路有類似設(shè)計(jì)中都會(huì)出現(xiàn)疊層電容的嘯叫。

2 現(xiàn)有嘯叫解決方法

1）如圖2所示，設(shè)計(jì)一種疊層電容兩邊端子上各加一個(gè)支架的方法，這種電容在日產(chǎn)電容，如村田、松下等品牌電容器廠家都有不同規(guī)格選擇。但是這種電容的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，造成成本的增加，因此，幾乎沒有多少廠家選用此種方法。

圖2 有支架的電容

2）在有些嘯叫原因中，可以在IC設(shè)計(jì)方面給予解決，其實(shí)如果芯片設(shè)計(jì)時(shí)就考慮可能存在電容嘯叫的問題，比如對于多路調(diào)光PWM控制的電路中，可以采用不同的各路輸出相位延遲，就好像是“化整為零”和“正負(fù)抵消”一樣，很大程度上減小了由開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的電容開關(guān)紋波，從而減小電容嘯叫，這樣很好地解決此問題。

3）對于開關(guān)電源，由于在待機(jī)模式，由于各種模式的頻繁切換造成的疊層電容的嘯叫，適當(dāng)用芯片控制其模式（在待機(jī)和喚醒確定后再設(shè)置開關(guān)電源的開關(guān)控制模式）。在另一種開關(guān)電源中，其BUCK電源開關(guān)控制通常有PWM和PFM兩種工作模式。PWM工作模式時(shí)紋波小，用在負(fù)載功耗比較高的條件下，為了避免BUCK在PWM工作模式時(shí)給電容充電的開關(guān)頻率進(jìn)入人耳范圍內(nèi)引起嘯叫，也可以將電源的開關(guān)頻率在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)刻意避開20Hz～20kHz這個(gè)開關(guān)頻率范圍，這樣可以有效解決疊層電容的叫聲。當(dāng)然，BUCK電感的飽和電流選取不合適時(shí)，有可能使得輸出電流增加，會(huì)誤觸發(fā)電源進(jìn)入過流保護(hù)，電源在正常工作模式和過流保護(hù)模式之間反復(fù)切換，也有一定可能引起嘯叫，電感選取一定要合適。

以上提到的方法，除了村田、松下支架疊層電容解決電容的叫聲，都是疊層電路叫聲在通常電路應(yīng)用中的特例情況下的應(yīng)用場景所采取的有針對性的特殊方法，但日常設(shè)計(jì)電路如電磁手寫電路等存在大量的普通的設(shè)計(jì)電路，同樣存在相同的疊層電容的嘯叫問題。本文就是針對大量的普通電路給出一種行之有效的處理疊層電容在電路中叫聲的處理。

3 本方案的實(shí)現(xiàn)原理

（1）線路板結(jié)構(gòu)

在圖3中，分清PCB 印制板的結(jié)構(gòu)圖，包括PCB基板，銅箔層，阻焊層（綠油層）。圖3中的尺寸為通常制板特例。

圖3 線路板剖面圖

針對單面貼方式，即單面板從上到下分別是綠油層、銅箔層、PCB基板，對于雙面貼從上到下分別是綠油層、銅箔層、PCB基板、銅箔層、綠油層，其后續(xù)的處理方法也是同樣的道理。

（2）現(xiàn)有疊層電容貼片焊接剖面結(jié)構(gòu)問題

貼片電容如圖4所示，其中兩邊部分為焊接面，中間部分為電容主體，在正常電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，其生產(chǎn)貼片中，由于圖 4疊層陶瓷電容與PCB平貼，當(dāng)電容中間電容本體向下伸縮形變時(shí)，由于疊層電容與其焊接的PCB沒有間隙，電容主體部分會(huì)和貼片PCB正上方產(chǎn)生接觸和離開的高頻振動(dòng)，從而會(huì)引起PCB 板表面也產(chǎn)生震動(dòng)，并能聽到聲音，此頻率通過陶瓷電容傳導(dǎo)，同時(shí)包含人耳可以聽到的交流電（頻率為20Hz～20kHz），這樣而引起叫聲。

圖4 疊層陶瓷電容

（3）具體的實(shí)現(xiàn)原理

以單面貼片為例，雙面貼片原理相同。在圖5中，為描述方便，將疊層電容分為三部分A、B、C，其中 A、B為焊接焊盤，C為產(chǎn)生向下伸縮的電容本體。

圖5 疊層陶瓷電容貼片剖面圖

電路板基板厚度1.2mm（以1.2為例），銅箔厚度35μm（以35μm為例），綠油層（阻焊層）為10μm。

此種方案中，在PCB 制作時(shí)，在電容C區(qū)域正下方且大于C面積的部分D區(qū)域，為落空區(qū)（但不開槽），即無銅箔層，綠油層，當(dāng)然也無錫膏。

需要制作PCB及貼片時(shí)符合以下條件：

1）電容下面落空區(qū)域稍大于電容本體C區(qū)域；

2）貼片時(shí)貼片電容要求位置及鋼網(wǎng)準(zhǔn)確。

電容器以及電路板的振幅為1pm～1nm； 而D區(qū)域的高度為0.1mm＋35μm，而1毫米（mm）=1000 微米（μm），1微米（μm）＝1000納米（nm），1納米（nm）＝1000 皮米（pm）。因此，只要貼片位置準(zhǔn)確，D區(qū)域的高度遠(yuǎn)大于電容器的振幅1nm。以上參數(shù)為PCB設(shè)計(jì)的一般參數(shù)，對于不同的廠家參數(shù)，設(shè)計(jì)人員可以適當(dāng)更改適應(yīng)此方案。這樣電容C區(qū)域向下伸縮的部分D區(qū)域造成電容伸縮無法造成電路板產(chǎn)生同樣的伸縮，也就不會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和聲音。

還有另一種實(shí)現(xiàn)方式，如圖6所示，在有叫聲問題的疊層電容，PCB設(shè)計(jì)為圖6的方式，在圖5中，D區(qū)域正下方PCB機(jī)體設(shè)計(jì)為槽型落空，同時(shí)要注意開槽的大小一方面可以解決疊層電容的叫聲，同時(shí)也要方便生產(chǎn)，通過此種方式，也同樣可以達(dá)到消除疊層電容叫聲的目的。

圖6 疊層陶瓷電容貼片剖面圖

4 結(jié)束語

在超薄產(chǎn)品的不斷普及下，電子產(chǎn)品的嘯叫問題尤為突出，有很多方法處理，當(dāng)然還有村田、松下電容為處理此問題專門給電容安裝一個(gè)焊接座等方法，所有這些方法都無可例外地增加了成本，或?yàn)樘厥怆娐诽岢龅囊环N特殊的針對性方案，本文提出的兩個(gè)方案只需要在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，對于特殊疊層電容的封裝庫做相應(yīng)的處理，相對無需增加成本，只需要修改部分0402、0603、0805、1206、1210等電容封裝，也可以解決特殊電路以外解決不了的通用電路疊成電容叫聲處理，確實(shí)是一個(gè)簡單通用且無成本的方案。