Защо керамичните кондензатори "пеят"? Причини за шума на MLCC и решения

Керамичните кондензатори обикновено са безшумни, но някои MLCC могат да издават слышен бучене, бръмчене, "плач" или "свистене" по време на работа на схемата. Това се случва, когато определени фероелектрични керамични материали лека деформация по време на промяна на приложеното напрежение, създавайки механични вибрации, които могат да се прехвърлят към PCB. В тази статия ще научите защо керамичните кондензатори "пеят", кои видове са по-склонни да издават звук, как условията на схемата го влияят, как PCB може да го направи по-силен и практични начини за намаляване на шума.

Каталог

Фигура 1. Когато керамичен кондензатор "пеe"

Какво означава, когато керамичен кондензатор “пеe”?

Керамичният кондензатор се казва, че "пеe", когато издава чуваем бучене, бръмчене, "плач" или "свистене", докато схемата работи. Производителите обикновено описват този ефект като акустичен шум.

Звукът става забележим, когато вибрацията включва честоти в приблизителния диапазон на човешкото слухово възприятие от 20 Hz до 20 kHz. Murata съобщава, че амплитудата на вибрацията на кондензатора може да бъде изключително малка, приблизително 1 pm до 1 nm, дори когато резултантният звук е забележим. _{[1, 2]}

Само акустичният шум не доказва, че кондензаторът е повреден или ненадежден. Причините и подробните електромеханични механизми зад това поведение са обяснени в следващия раздел. _[1]

Физически механизъм зад акустичния шум на керамичния кондензатор

Фигура 2. Физически механизъм, причиняващ акустичен шум на керамичния кондензатор

Акустичният шум на MLCC е основно свързан с фероелектрични, керамични диелектрици с висока диелектрична константа, обикновено основани на бариев титнат (BaTiO₃). Електрическото поле може да промени леко размерите на тази керамика, създавайки механично движение в кондензатора. _{[1, 3, 4]}

Електрострикция и инверсният пиезоелектричен ефект са свързани, но различни механизми. Електрострикцията описва нен линейно напрежение, произведено от електрическо поле. Инверсният пиезоелектричен ефект описва деформация, причинена от електрическо поле в материал с подходяща поляризация и кристална симетрия. Тези термини не трябва да се третират като взаимозаменяеми етикети.

Фероелектричните диелектрици, основани на BaTiO₃, показват нен линейно и зависимо от поляризацията електромеханично поведение. Промени в поляризацията и позициите на йоните в керамичната структура могат да изкривят диелектрика. Постоянно напрежение може също да промени начина, по който материалът реагира на променливо или пулсационно напрежение. _{[3, 4]}

Постоянното DC напрежение може да предизвика статична деформация, но повторната вибрация изисква изменяща се електрическа или механична сила. Следователно AC, пулсации и импулсни напрежения могат да причинят повторна деформация. Поради факта, че отговорът е нелинеен и под влияние на DC наклон, вибрацията може да съдържа хармоници или други честотни компоненти, вместо винаги да съвпада с честотата на приложеното напрежение.

Клас I диелектриците като C0G/NP0 са нефероелектрични и не показват същия механизъм на фероефективност, основан на BaTiO₃. Следователно те са общо взето по-малко податливи на този тип акустичен шум. [3, 5] Дали вибрацията става чута, също зависи от работния вълнови форма, конструкцията на кондензатора и механичното свързване с печатната платка.

Видове керамични кондензатори, които най-вероятно ще звучат

Акустичният шум е предимно свързан с фероефективни Class II и Class III керамични кондензатори. Въпреки това, кондензаторите в същия клас могат да имат различни конструкции, размери, стойности на капацитет, дизайни на електродите и механични отговори. Не трябва да се очаква, че те ще произведат идентично акустично поведение. _{[3, 4]}

Диелектричен клас	Типични кодове	Механизъм на акустичен шум	Ограничение за избор
Клас I	C0G, NP0	Нефероелектричните материали не показват същия механизъм на деформация, основан на BaTiO₃. Уязвимостта от този механизъм е обикновено ниска.	Кодът не гарантира пълна тишина, тъй като други компоненти или механични ефекти все още могат да създадат шум.
Клас II	X5R, X6S, X7R	Фероефективните, обикновено основани на BaTiO₃ диелектрици могат да търпят нелинейни и зависими от наклада размерни промени при вариране на напрежението.	Частите с един и същи код могат да се различават в конструкцията и отговора на вибрации. Кодът не може да предскаже нивото на звуково налягане.
Клас III	Y5V, Z5U	Фероефективните материали с висока диелектрична проницаемост също могат да произведат деформация и механична вибрация в зависимост от напрежението.	Високата уязвимост не означава, че всяка част ще бъде чута. Реалният шум зависи от конкретния кондензатор и условията на схемата.

Murata определя кондензаторите с висока диелектрична константа като основани на BaTiO₃, докато кондензаторите от клас I, компенсиращи температурата, използват нефероелектрични материали. _{[5, 6]} TDK също отбелязва, че акустичното поведение зависи от конструкцията на кондензатора, електрическите условия и околната схема. _[3]

Следователно диелектричният код е само индикатор за уязвимост. Той не може да определи дали конкретният кондензатор ще бъде чут или да предскаже нивото на звуково налягане. Надеждното сравнение изисква данни от производителя, специфични за частта, или тестове при предвиденото напрежение на вълните, DC наклон, монтаж и условия на печатната платка.

За по-широко сравнение на диелектричната стабилност, поведението на DC наклона и акустичната уязвимост, вижте нашето ръководство за кондензатори C0G срещу X7R.

Пулсации на напрежение, режими на превключване и чутим шум

Фигура 3. Работни условия, които могат да увеличат акустичния шум на MLCC

Фероефективен MLCC може да остане тих, когато напрежението през него се променя много малко. Акустичният шум става по-вероятен, когато кондензаторът изпитва повторни колебания на напрежението, защото тези колебания не спират да предизвикват механична деформация на керамиката. _[1][2]

Както амплитудата на напрежението, така и честотното съдържание са важни. Murata отбелязва, че кондензаторите, изложени на по-голямо напрежение на линия и колебания на напрежението, могат да бъдат по-податливи на акустичен шум. PFM, режим на изблици, субхармоници, честоти на пулсации и групиране, зависещо от натоварването, могат да създадат чуваеми компоненти, дори когато номиналната честота на превключване е над 20 kHz. _[1][2]

Основната честота на превключване на преобразувателя не е необходимо да пада в чуваемия диапазон. Методи за управление могат да създадат повторение на пулсовете с по-ниска честота, модулация или прекъсващи работни модели, дори когато отделните пулсове на превключване се появяват на много по-висока честота. _[2]

Работно условие	Възможен ефект върху акустичния шум
Почти стабилно DC	Произвежда малка повторна деформация само от DC компонента.
AC или пулсационно напрежение	Повторно задейства деформация на керамиката; резултатът зависи от амплитудата на напрежението и честотата.
Голямо колебание на напрежението	Може да увеличи амплитудата на вибрацията при сравними условия на кондензатора и печатната платка.
Честотни компоненти на напрежението в чуваемия диапазон	Може да произведе жужене или стенене, ако активират механична резонанс на MLCC или печатната платка.
PFM работа	Може да произвежда пулсови повтарящи се звуци с чуваема честота при определени условия на натоварване.
PWM димиране или друга модулация	Може да създаде компоненти на напрежение с чуваема честота или модулаторни обвивки.
Интермитентна или изразходваща работа	Групи пулсове могат да създадат низкочестотна повторяемост, дори когато индивидуалните пулсове на превключване се появяват над 20 kHz.

Murata конкретно идентифицира PFM работа в понижаващи конвертори, PWM димиране и интермитентна работа като условия на работа, при които акустичният шум от MLCC може да стане забележим. За диагностика, действителната форма на напрежение през кондензатора е следователно по-полезна от спецификацията на номиналната честота на включване сама по себе си. _[2]

PCB Вибрация и усилване на акустичния шум

Фигура 4. PCB Вибрация и усилване на акустичния шум

Нито едно малко движение на MLCC е само част от проблема с акустичния шум. Неговите терминали и спойки механично свързват кондензатора с платката. Това прехвърлено движение може да накара по-голямата повърхност на платката да вибрира и да излъчва чуваем звук, подобно на плосък говорител. _{[1, 8]}

Количеството звук зависи от целия механичен път, включително следните практически променливи:

• Местоположение на MLCC на платката

• Дебелина на платката и конструкция на слоевете

• Разстояние от ръбовете на платката, монтажни винтове, клипсове и опорни точки

• Ориентация на компонента спрямо формата на платката и режимите на огъване

• Размери на шаблона

• Форма, обем и геометрия на спойките

• Местна твърдост на платката, включително близките изрези, конектори, защити и подсилващи структури

Тези променливи могат да променят колко ефективно вибрацията навлиза в PCB и дали възбужда резонанс на платката. Например, преместенето или завъртането на кондензатор може да промени отговора, но резултатът зависи от механичния дизайн на платката. Няма универсално местоположение, ориентация, дебелина на платката или геометрия на спойка, която винаги да произвежда най-нисък шум.

Специални структури могат да намалят механичната трансмисия. Например, MLCC-та на типа интерпозер на Murata и проектирания на TDK с крачета осигуряват допълнителна механична изолация между керамичния елемент и основната платка. _{[7, 8]}

Промените в PCB следователно трябва да се третират като опции, зависещи от дизайна, а не като гарантирани правила. Тяхната ефективност трябва да се проверява чрез акустични измервания на действително сглобената платка под предвидените условия на монтаж и електрически условия.

Размер на кондензатора, капацитет и фактори на конструкция

Само типът диелектрик не може да предскаже колко силен ще бъде MLCC. Размерът на кутията, капацитетът, вътрешната структура, приложеното напрежение, DC наклон и свързаност с PCB взаимодействат, за да определят финалната вибрация и звук. Производителите идентифицират по-голям размер, по-висок капацитет и по-голяма колебливост на напрежението като възможни фактори при някои условия, но това са тенденции, а не универсални отношения. _{[2, 3]}

Фактор	Възможна същественост за акустичния шум	Ограничение на избора
Размер на кутията	Променя механичната структура на кондензатора и контактната площ с PCB.	По-малка кутия не означава автоматично по-малко шум.
Капацитет	Може да бъде свързан с различен обем на диелектрика, брой слоеве или конструкция.	По-нисък капацитет не гарантира по-тих компонент.
Диелектричен материал	Определя дали кондензаторът проявява силно фероеlectricно електромеханично поведение.	Диелектричният код не може да предскаже нивото на звуковото налягане на конкретен компонент.
Брой активни слоеве	Влияе на вътрешната многослойна структура и комбинирания й механичен отговор.	Повече или по-малко слоеве не могат да се оценят независимо от тяхната дебелина и подредба.
Дебелина на диелектричния слой	Променя електрическото поле вътре в всеки слой и структурния отговор.	Неговият ефект зависи от напрежението, материала, дизайна на електродите и други детайли на конструкцията.
DC наклон	Променя работната точка и електромеханичния отговор на фероеlectricния диелектрик.	Ефектът е нелинеен и специфичен за частта.
AC или пулсово напрежение	Произвежда повторяеми размерни промени, които могат да предизвикат вибрации.	Амплитудата на напрежението сама по себе си не определя крайната звукова ниво.
Форма на напрежението	Честотни компоненти и хармоници могат да възбудят резонанси на кондензатора или PCB.	Тестването трябва да използва предвидената форма на схемата, а не само една лабораторна честота.
Дизайн на платка и монтаж	Контролира как вибрацията се предава, усилва или механично ограничава.	Резултатите зависят от сглобения продукт и не могат да бъдат предсказани само от спецификацията на MLCC.

Два кондензатора със същия размер на корпуса, капацитет, гранично напрежение и диелектричен код могат следователно да произвеждат различни акустични резултати. По същия начин, заменянето на кондензатор с по-малък или с по-нисък капацитет не намалява автоматично шума. Сравнете конкретни части при предвидената вълнова форма, DC наклон, модел на монтаж, процес на запояване, структура на платката и окончателни условия на монтаж. _{[2, 3, 4]}

Намиране на MLCC, причиняващ шума

Използвайте контролирано, повторяемо теста, за да определите дали подозрителният MLCC е акустичният източник. Сравняването на спектъра на напрежението с измерения спектър на звука може да идентифицира вероятни участници, но съвпадащите пики сами по себе си не доказват, че единствено един кондензатор е причината за шума. Murata използва корелирани електрически и акустични измервания в своя метод на оценка. _[2]

Възпроизводима диагностична процедура

1. Определете работните условия. Запишете точното работно състояние, като нормална работа, режим на готовност, PWM затъмняване, PFM режим или преход на натоварване. Също така запишете входното напрежение, изходното натоварване, околната температура и време за загряване.

2. Възпроизведете шума последователно. Стартирайте устройството в същата конфигурация и потвърдете, че звукът се появява в повторяем момент или работна точка. Не сравнявайте измервания, направени под различни режими на преобразувател, натоварвания или температури.

3. Документирайте електрическото измерване. Измерете напрежението директно върху всеки подозрителен MLCC. Запишете типа сонда, точките на свързване, метода на заземяване, ориентацията на сонда, настройката на свързването и честотната лента на измерване. Използвайте кратко свързване или подходяща диференциална сонда, за да ограничите артефактите на измерването.

4. Контролирайте акустичната настройка. Закрепете микрофона на определено разстояние и ориентация от сглобената платка. Дръжте корпуса, монтажа на платката, кабелите, капаците и близките обекти в същите позиции за всеки тест.

5. Измерете фоновия шум. С устройството изключено или в потвърдено тихо състояние, запишете нивото на фоновия шум, използвайки същата настройка на микрофона. Пиковете близо до фоновото ниво трябва да се интерпретират внимателно.

6. Записвайте електрически и акустични данни заедно. Заснемете вълновата форма на напрежението на MLCC и сигнала на звуковото налягане по време на същите работни условия. Ако едновременното заснемане не е налично, използвайте повторяемо задействане и идентична времева настройка на теста.

7. Документирайте настройките на FFT. Уточнете електрическите и акустични честотни честотни ленти на FFT, честотното разрешение, честотата на вземане на проби, функцията на прозореца, метода на средно и продължителността на измерването. Използването на различни настройки на FFT може да затрудни сравнението на два спектъра.

8. Сравнете спектрите. Търсете акустични пикове, които съответстват на компоненти на волатилност на напрежението или на техните възможни хармоници. Корелираните пики са подкрепящи доказателства, а не окончателна идентификация, тъй като няколко компоненти или резонанси на платката може да реагират на една и съща честота.

9. Потвърдете подозирания източник. Заменете кондензатора с подходяща част с нисък акустичен шум, временно изолирайте механичното му свързване, използвайки одобрени от производителя методи за оценка, или сравнете с контролирана модификация на платката. Повторяемото намаляване или изчезване на съответния акустичен пик предоставя по-силно потвърждение.

10. Повторете измерванията. Извършете няколко измервания за оригиналните и модифицираните конфигурации. Докладвайте индивидуалните резултати или тяхната разпръснатост, а не се доверявайте на едно измерване. Повторете теста при всяко работно условие, известно, че произвежда звука.

Изследване на производителя

Murata документира оценка на линия на батерии за лаптоп, в която стандартният GRM31MR61E106KA01 беше заменен с кондензатора с нисък акустичен шум KRM31FR61E106KH01. Това е полезен пример за заместване на компонент, използван за оценка дали промяната на механичната структура на кондензатора намалява наблюдавания акустичен шум. _[2]

Резултатът от едно изследване на производители не трябва да се прилага автоматично към друга платка. Дебелината на платката, монтажът, моделът на монтаж, спойките, работната вълнова форма, натоварването и условията на корпуса могат да променят резултата. Замяната трябва също да отговаря на капацитета, напрежението, температурата, надеждността и физическите изисквания на веригата.

Начини за намаляване или предотвратяване на пеенето на керамични кондензатори

Фигура 5. Начини за намаляване или предотвратяване на пеенето на керамични кондензатори

Използвайте следните опции в приоритетен ред. Всяка промяна трябва да се проверява електрически и акустично на сглобената платка, тъй като по-тих компонент или режим на работа може да повлияе на производителността на веригата.

1. Намалете пулсации или чуваема модулация

Първо, намалете променливото напрежение на MLCC, където е възможно. Възможните промени включват подобряване на филтрацията, намаляване на пулсацията на товарния ток, настройка на разпределението на капацитета и ограничаване на нискочестотните пулсации или модулация, произвеждани от PWM, PFM или импулсни операции. По-ниска електрическа възбуда може да намали силата, която предизвиква вибрации на кондензаторите. _{[2, 4]}

Електрическо ограничение: Добавената филтрация може да увеличи цената, площта, стартовия ток или взаимодействието на контролната верига. Промените трябва да запазят регулацията на изхода, времевия отговор, стабилността, способността за ток и необходимия капацитет под DC bias.

2. Оценете промени в контрола на преобразувателя

Ако шумът се появява само в определен режим на работа, определете дали преобразувателят може да избегне или модифицира този режим. Опциите могат да включват промяна на честотата на превключване, прага на импулсите, поведението на PWM или PFM, настройка на разширен спектър или стратегия за работа при малки натоварвания.

Преместването на един компонент за превключване извън чуваемия диапазон не гарантира тишина, тъй като нелинейното поведение на кондензатора и модулацията на преобразувателя могат да произвеждат хармоници или подсвест. Тествайте отново пълния електрически и акустичен спектър.

Електрическо ограничение: Промените в контрола могат да повлияят на ефективността, загубите при превключване, мощността в режим на готовност, изходните пулсации, EMI, времевия отговор, регулацията и стабилността на преобразувателя. Използвайте само настройки, поддържани от производителя на контролера.

3. Сравнете подходящи опции за кондензатори

Опция	Възможна акустична полза	Електрическо ограничение
C0G/NP0 MLCC	Не проявява същия фероеlectricен механизъм на базата на BaTiO₃, открит в кондензаторите с висока диелектрична проницаемост от клас II.	Много по-ниската плътност на капацитета ограничава употребата му в приложения с голям капацитет и много захранващи приложения. Наличният капацитет, размер на корпуса и номинално напрежение трябва да се проверят.
Интерпосер или MLCC с метален терминал	Добавените терминални структури могат да намалят предаването на вибрации към PCB.	Може да изисква повече площ или височина на платката. Проверете капацитета, номиналното напрежение, поведението при DC-баланс, ESR, ESL, способността за ток, температурния диапазон, разположението на изводите и изискванията за сглобяване.
MLCC с изводи или с рамка за изводи	Гъвкавите изводи или рамки могат да предоставят механична изолация от платката.	Изводите могат да увеличат ESL и да изменят импеданса при високи честоти. Площта на основата, височината, толерантността на вибрации и методът на монтаж също могат да се различават.
Полимерен кондензатор	Не използва същия фероеlectricен керамичен механизъм и може да намали този източник на акустичен шум. [9]	Проверете капацитета, номиналното напрежение, ESR, ESL, способността за пулсации, температурния диапазон, живота, площта на основата и честотния отговор. Различен ESR или импеданс могат да повлияят на филтрацията и стабилността на контролната верига.
Алуминиев електролитен, танталов или филмов кондензатор	Може да избегне вибрации от фероеlectricен MLCC, където технологията подхожда на приложението.	Проверете полярността, снижаването на напрежението, ESR, ESL, тока на изтичане, оценката на пулсации, температурата, живота, размера, поведенията при неуспех и честотния отговор. Тези технологии не са директни заместители в всяка верига.

Murata документите интерпосер и метални терминални структури, докато TDK описва конструкции с изводи, предназначени да намалят преноса на вибрации към PCB. _{[7, 8]} Справка _[10] предоставя по-тесен пример от KEMET: покрива конкретна високо напреженова серия X7R KPS, номинирана на 500–630 VDC. Не трябва да се използва, за да се твърди, че всеки продукт KPS има идентични оценки или акустични характеристики.

Изберете крайната опция само след проверка на електрическите спецификации и измерване при оригиналните условия на работа. Най-доброто решение може да комбинира по-ниски пулсации, подобрена работа на преобразувателя и структура на кондензатора, която пренася по-малко вибрации в PCB.

Преди да замените MLCC на захранваща шина, сравнете ESR, пулс на тока, напрежение и търговски компромиси между MLCC и алуминиеви полимерни кондензатори.

Справки

[1] Murata Manufacturing Co., Ltd. “Защо се появява акустичен шум в керамични кондензатори и има ли това ефект върху надеждността?” Често задавани въпроси за керамични кондензатори.

[2] Murata Manufacturing Co., Ltd. “Решения на MLCC за потискане на акустичния шум в батерийните линии на лаптопи.” Подкрепа за приложение на керамични кондензатори.

[3] ТДК Корпорация. “Пеещи кондензатори (Пиезоелектрически ефект).” Често задавани въпроси за многослойни керамични чипови кондензатори.

[4] KEMET Electronics Corporation. “KEMET Ceramics FAQ и Ръководство за приложения.” Техническо ръководство за керамични кондензатори.

[5] Murata Manufacturing Co., Ltd. “Какви керамични кондензатори имате?” Често задавани въпроси за керамични кондензатори.

[6] TDK Corporation. “Кои температурни характеристики обикновено се споменават за MLCC (Мултислоеви керамични чип кондензатори)?” Често задавани въпроси в TDK Product Center.

[7] Murata Manufacturing Co., Ltd. “ZRB серия: Чип мултислоеви керамични кондензатори с нисък акустичен шум на междинна платка.” Линия на продукта за керамични кондензатори.

[8] TDK Corporation. “Ръководство за различни решения, предлагани от MLCC с потопени радиални крачета.” TDK Product Center, Ръководство за решения.

[9] Murata Manufacturing Co., Ltd. “Полимерни алуминиеви електролитни кондензатори: Сравнение с MLCC.” Сравнение с различни кондензатори.

[10] KEMET Electronics Corporation. “Кондензатори с компактно монтиране: Серия KPS, високо напрежение, диелектрик X7R, 500–630 VDC.” Технически лист на серия KPS.