2023-02-21
减小电容的ESR及ESL,可以有效的减小电源上的纹波及噪音,此外电源模块的小型化也是趋势,所以片式多层陶瓷电容MLCC越来越多地被用于输出电容。但是在使用MLCC电容是会产生一个新问题,就是它的结构构成会导致啸叫。
其中,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)一般为 0.3,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我们可以听见,会听到类似“叽”的声音。
泊松比是指材料在单向受拉或受压时,横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值,也叫横向变形系数,它是反映材料横向变形的弹性常数。
压电效应导致电路板变形
电容的啸叫实际上是电容的压电效应导致了PCB的形变。因此,抑制电容啸叫的主要措施是抑制或者抵消PCB的形变。比如,可以将引起啸叫的电容在同一面,以不同的角度摆放;或者将其在正反两面,正对着摆放;还有,可以选择带支架的电容器,当然这会增加成本。
带有支架的MLCC
以上通过抑制PCB形变的方式来处理电容啸叫的问题治标不治本,尽量得从源头上处理掉引起啸叫的原因。实际上,引起电容啸叫的原因很单纯,必定是电容上被加载了人耳可以听到的交流电(频率为20HZ~20KHZ)。
要解决电容啸叫的原因,基本的分析思路可以参考以下方法:
首先,用耳朵大致搜寻电容正在啸叫的那一片区域;然后,使用示波器排查可疑的电压信号。下图罗列了一些电容啸叫的信号。
其次,在轻载模式下,输出电压的纹波电压会比较大,同时流过电容的交流电的频率也比较离散,所以容易发生啸叫事件。
关于轻载模式和强制PWM模式的设置一般建议如下:
1、一级电源并且是常电模式,建议软件参与控制。在系统进入休眠之前,由软件设置芯片进入轻载模式;当系统从休眠模式被唤醒,软件需要及时地将电源设置为强制PWM模式。
2、如果是二级电源并且对轻载效率的要求不是特别严苛时,尽量全程设置为强制PWM模式。
有一些电路特别是低成本的简易电路,软件没有办法设置PWM模式,不幸又发生了电容啸叫事件,可以尝试以下几种方法:
1、更换电容的数值,甚至尝试不同厂家或者不同型号的电容;
2、安装假负载(小阻值的电阻作为假负载),这是没办法时的办法;
3、多余”的电容也会引起环路不稳定,导致啸叫,可尝试移除一些“可有可无”的电容;
4、过大的输出电容会导致相位裕量过大,这会延缓进入PWM模式的时机,尝试适当减小相位裕量。
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