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来自工程师的声音

最适合开关电源的电容器与电感

关于安装的课题 -啸叫-

电容器篇 -其7-

关键词
  • 叠层陶瓷
  • MLCC
  • 啸叫
  • 压电性
  • 压电效应
  • 逆压电性
  • 逆压电效应
  • 两面安装
  • LW逆转
  • MLCC低失真材料
  • 金属框架

-接下来请讲解一下另一个关于安装的课题“啸叫”。啸叫是指听到来自PCB板的类似“叽”或“吱”声音的现象。例如,听说有的便携设备用的廉价充电器发出相当大的啸叫音。

是啊!可能有些设备或环境即使产生了啸叫也未注意到,或者是不在意的现象,但如果在就寝时的安静环境中,应该可以注意到您列举的便携设备充电器等的啸叫声。另外,音频设备等听到在播放声音之外的声音就是比较严重的问题了。

-首先,请讲解一下啸叫的机理。

高介电常数的陶瓷电容器具有给电介质施加电压时,电介质变形(失真)的特性。这是压电效应的相反现象,被称为“逆压电效应”。此外,有时也将具有这种特性表达为“压电性”或“逆压电性”。如果施加的是DC电压,则仅产生相应的失真,而如果是有振幅的电压,则使MLCC周期性地变形并引起PCB板振动。如果其频率是可听频段20Hz~20kHz,就可听到声音。

上图是更具体的示意图,表示施加电压与MLCC变形的关系。从开关电源考虑,输出电压是DC,包括开关频率引起的纹波电压。输出纹波诱发被用作输出电容器的MLCC的振动。

在PCB板中,由于在MLCC两端的电极为焊接,电极间的长度方向的变形(图中蓝色的双箭头)使PCB板表面(图中黄绿色的双箭头)变形,如此反复导致振动。该振动通过PCB板的传导被放大,成为人耳能听到的程度的音压是啸叫。当然,条件是振动的频率为可听频段。

-啸叫是种典型的现象,有怎样的对策呢?

啸叫不仅与电介质材料和电容器的形状有关,也与PCB板的尺寸和安装状态等有关,实际上需要进行电容器自身的对策和布局两方面的探讨。不管怎样,让啸叫完全消失是相当难的,可采用改善到容许范围内的方法。在此介绍4个对策。

①通过材料进行改善
开发出使用了逆压电效应很低、即变形较小的电介质材料的MLCC。基本上如右图所示,低介电常数材料的失真更低。例如,有LD(Low Distortion)系列等可降低啸叫的产品群。

②通过电路板设计进行改善
这是PCB板方面的改善。例如,对于同一电源线,如图所示,两面安装相同的MLCC。两个MLCC的振动相反相互抵消,振动被缓解。

③通过结构进行改善:LW(长度-宽度)逆转结构
MLCC的电极间的长度通常大于宽度。通过缩短电极间的长度,可减轻导致PCB板振动的电极间的变形。如图所示,准备了宽度较电极间宽的类型的MLCC。图中称为“RGC”的是逆转结构型。

④通过结构进行改善:金属框架型
在弯曲应力的对策中提过的金属框架型MLCC也有助于改善啸叫。从结构立刻可以想象到,金属框架吸收MLCC的振动。

-各种对策的效果是怎么样的呢?

这四个对策之中,可以预期金属框架有很好的效果。看试验数据就一目了然了。从以下数据可以看出,金属框架型与标准品相比,最大可改善约30dB的音压。



-关于啸叫的对策,有什么要注意的地方吗?

啸叫如前面所提到的,不仅与MLCC的材料和形状有关也与PCB板和安装有关,因此有些情况需要从不同的角度来多方研究。不仅是改善效果的大小,为了改善啸叫有可能要变更PCB板布局和元器件。现实中,这些有可能是限制事项,有时需要权衡。

例如,虽然金属框架型的改善效果很好,但对元器件的高度有限定时,可能无法使用。相反,如果因改善效果不错、可解决高度问题而采用LW逆转型,则需要变更布线模式和布局。下表总结了这些限制事项与对策的关系,仅供参考。

电容器制造商可以采取包括这些方法在内的综合啸叫对策,所以咨询制造商也是良策。

-另外,啸叫对于叠层陶瓷电容器自身的可靠性有不良影响吗?例如,如果响声不是问题,可以对响声置之不理地继续使用下去吗?

啸叫被认为对MLCC自身没有影响。MLCC自身的振动非常小,仅为微米~纳米级别。相比之下,利用压电效应的压电蜂鸣器和陶瓷振荡器等,是积极的利用了高达几十倍振动的产品,具有充分的可靠性。从这点看也可以理解MLCC的逆压电效应对可靠性并没有特别的影响。

-最后,问一个关系不大的问题。“啸叫”这个词,业界中很多人读作“otonaki”。但是,我觉得从日语的观点和词源考虑正确读音应该是“nenaki”,您怎么看呢?虽然是细小的地方,但是我对此怀有疑问。

的确读作“otonaki”。大概是因为工程师是理科系的对语文不精通所致。我也不太清楚。

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