MLCC电容啸叫原因分析及改善措施

电容啸叫原理

        常规的贴片电容（MLCC：Multi-layer Ceramic Capacitors，多层片式陶瓷电容器）会发生啸叫的问题。

        MLCC发出啸叫声音，是因为MLCC在电压作用下发生幅度较大的振动（振动频率为20Hz~20 kHz的声波能被人耳识别）。

        在外电场作用下，所有的物质都会产生伸缩形变——电致伸缩。对于某些高介电常数的铁电材料，电致伸缩效应剧烈，称为——压电效应。

        压电效应包括正压电效应和逆压电效应。正压电效应就是某些材料在外力作用下，材料表面会感应出电荷，产生电位差；逆压电效应就是物体在外加电压下会产生机械应力，发生形变。

        电容的啸叫实际上是电容的压电效应导致了PCB的形变。

        MLCC设计制造陶瓷介质材料主要有顺电介质和铁电介质两大类。

        顺电介质电致伸缩形变很小，在工作电压下，不足以产生噪声。所以，顺电介质(I类介质)材料做的MLCC，如NPO（COG）等温度稳定性产品，就不会产生噪声啸叫。

        铁电介质具有强烈的电致伸缩特性—压电效应。因此，铁电介质（II类介质）做的MLCC，如X7R/X5R特性产品，当电容上的电压纹波很大，并且纹波频率在20Hz~20kHz人耳听觉范围内时，可能会产生明显的噪声啸叫。

        电容的啸叫现象多数发生在开关电源芯片轻载模式。因为在轻载模式下芯片一般会进入节能模式。在节能模式，系统处于半开环模式，芯片监控反馈电压但是不采取实时响应，只有当输出电压低于阈值时，才会发送几个PWM脉冲，往电感和输出电容里充一点点的电，让开关管进行动作以保证输出电压不至于落到阈值以下。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。

        下图是轻载模式时的开关管波形，可以看到开关管并不是连续开关动作，而是间歇性的工作。因此节能模式下的开关频率会比正常工作时的开关频率低很多，这样输出电容上的电压纹波频率就会落入人耳可听频率范围内。

电容啸叫改善对策        

        降低MLCC电容器产生的可听噪声的方法有很多，但所有解决方案都会增加成本。

        1. 选择无噪声或低噪声的MLCC电容，或者用顺电陶瓷电容、钽电容、铝电解电容和薄膜电容等不具有压电效应的电容器替代MLCC电容（在实际应用中需要考虑体积空间、可靠性和成本等问题）。

        2. 减小电容容值或使用更低ESR电容。较大容值的电容器在充电和放电时通常会产生更多的电流涌入和电流离开，这可能增加啸叫的可能性。如果允许，可以尝试减小电容器的容值，以降低电流波动。使用具有较低ESR的电容器可以减少电流波动，从而减少啸叫的可能性。

        3. 电路板布局方面进行优化。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；

        4. 选择带支架的电容器。MLCC与PCB板隔空，把逆压电效应产生形变通过金属支架弹性缓冲，减少对PCB板的作用，有效的降低噪声。