电容啸叫的来龙去脉

一路上

前言

随着大家身边电子产品的普及，由电容器振动所产生的“啸叫”问题越来越多的受到人们的关注。如何优化各电源架构的电容啸叫，让电容安静下来，是一个有趣的问题。

Q:什么电容才会发出声音呢？

A:不是所有类型的电容都会发出声音，我们遇到会发声的电容基本上都是片式叠层(多层)陶瓷电容器（Multi-layer Ceramic Capacitors简称MLCC）。这种电容是由印好电极的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层，MLCC电容的端子电极(金属层)是由铜（Cu）底层、镍（Ni）镀层、锡（Sn）镀层构成的。铜底层使多层累积的内部电极得到电气连接，其次镀上镍镀层以提高“焊料润湿性”，具体结构如下：

从叠层陶瓷电容的结构上来看，由于陶瓷介质自身特性可变，通过调整介电常数、微粒结构、陶瓷层的精细程度等可以制造出高精度、高品质的电容。多层压片工艺也使相同规格的电容体积大幅度的下降，随着移动便携产品的普及和便携性，原来的钽电容和铝电解电容逐步被体积更小的陶瓷电容器所取代。

但是随着电子设备的多功能化和静音化的发展，在笔记本电脑、移动电话（智能手机）、数码相机、薄型电视等电源电路中，以往不起眼的陶瓷电容器发出声音的问题引起了人们越来越多的重视。

“可是，为什么电容会啸叫呢？”我不禁问道。“别急，想弄懂电容啸叫，还得从一个自然现象讲起。”小Y翻开了他的笔记本……

Q:陶瓷电容为什么会啸叫呢？

A:为了更好的理解电容啸叫的本质，我们要先了解一种自然现象——压电效应。

压电效应的学术定义是：在没有对称中心的晶体上施加压力、张力和切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端面将出现正、负电荷，这一现象称为正压电效应。反之在晶体上施加电场而引起极化，则产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。

这两种正、逆压电效应统称为压电效应。显然，我们讨论的电容啸叫属于逆压电效应的范畴。更通俗的来讲，就是在外电场的作用下，陶瓷介质本身会发生伸缩形变，因此也称为电致伸缩。

但不同介质的电致伸缩特性也有差异。叠层陶瓷电容的介质材料主要有顺电介质和铁电介质两大类。

顺电介质又称I类介质，主要有SrZrO3、MgTiO3等。顺电介质电致伸缩产生的形变很小，在工作电压下，不足以产生噪声。所以，顺电介质材料做的MLCC，如NPO电容器，其工作时不会产生明显啸叫。但是此类介质难以制作大容值的电容。

铁电介质又称II类介质，主要BaTiO3、BaSrTiO3等。铁电介质的电致伸缩特性强烈。因此，铁电介质（II类介质）做的MLCC，如X7R/X5R等产品，在较大的交流电场强度作用下会产生明显的啸叫噪声。

如上图所示，因为陶瓷的强介电性会引起压电效应，叠层陶瓷电容在施加交流电之后，会在叠层方向（Z轴）和电路板平行的方向（X与Y轴）发生伸缩形变。由于陶瓷电容焊接在电路板上，电容的形变会拉动电路板，从而导致电路板表面震动。如果震动频率落在人耳可听范围内，就听到了电容啸叫现象。

“现在明白了吗？”小Y合上笔记本问我。“呃。”我支支吾吾的也不知道回答懂还是不懂。“没关系，我再给你举几个经常发生电容啸叫的场景……”

Q:哪些场合电容啸叫明显呢?

A:一般来讲，对于X7R/X5R这类高容量的MLCC，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，可能会产生明显的啸叫。

2G射频PA的GSM信号是脉冲发射的，每秒发射217次，虽然每次发射时间只有几毫秒，但是发射期间的脉冲电流却可达2A以上。如下图所示，当手机射频PA发送GSM信号时，会从电源端抽取大量的电流，作为旁路电容的MLCC上的电压也会因此被拉低，此时不仅仅是PA自身输入端口的旁路电容，整个星型网络中的MLCC电压都会拉低，形成217Hz的周期性纹波，当纹波大到一定程度时，就容易产生电容啸叫。

开关电源在轻载模式时一般会进入节能模式。在节能模式下，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，让开关管进行动作以保证输出电压不至于落到阈值以下。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。下图是轻载模式时，输出电容两端的电压波形，可以看到输出电容上存在较大电压纹波。

Q:电容啸叫有什么影响呢？

A:由于电容啸叫的存在，当移动电子设备靠近人耳时，电子产品（笔记本电脑、平板电脑、智能手机等）产生的可听噪声会影响使用者的感受，剧烈的啸叫会让人觉得烦躁。
对于铁电陶瓷电容，在交变电场下，铁电畴会随着电场方向的变化而交替转向，导致铁电畴内部发生摩擦，增加电容的失效几率。

另外，电容啸叫的出现也说明电容上电压纹波过大，严重的的电压纹波会影响芯片的正常工作电压，导致芯片工作状态异常。

“那电容啸叫能解吗？”“当然可以，”小Y笑着说，“解法很多，但要学会选择……”

Q:怎么解决电容啸叫？

A:其实如果芯片设计时就考虑到可能存在电容啸叫的问题，加入一些设计优化，这对电容啸叫的解决是大有益处的。这里就不得不提到艾为的呼吸灯产品AW21036，如下图所示，在其采用的PWM调光技术中加入了艾为自主研制的 “相位延迟”和“相位翻转”技术，通过“化整为零”和“正负抵消”的方法，很大程度上减小了由开关动作产生的电容开关纹波，从而减小电容啸叫。此外，其采用的“扩频技术”可以将工作频率提高到人耳可听频率范围以外，同样可以做到很好的电容啸叫抑制。

如果芯片设计在这方面没有考虑，就要从电容选型和电路板布局方面进行优化了。

电容选型方面要尽量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。但这样做的弊端在于舍弃了MLCC轻薄的优势，因此在实际应用中需要考虑体积空间、可靠性和成本等问题。

电路板布局方面可以采用加厚电容底部保护层的方式，如下图所示，由于保护层部分是没有内电极的，这部分的BaTiO3陶瓷不会发生形变。当两端的焊锡高度不超过底保护层厚度，这时电容电致伸缩产生的形变对PCB影响要小，因此可以有效改善电容啸叫。

利用开槽来降低PCB板的震动也是抑制电容啸叫的一种办法，开槽示意图如下图所示。这样电容在电致伸缩时所带动的PCB部分被限制在两个槽之间，减小震动区域，从而减小电容啸叫的程度。

如果条件允许的话，还可以在MLCC两端附加金属支架结构。通过金属支架把MLCC芯片架空，让MLCC与PCB板隔空，把电致伸缩产生的形变通过金属支架弹性缓冲，减小对PCB板的拉动影响，可以有效降低噪声。

结语

本质上来说，电容啸叫是由于叠层电容的压电效应导致的，在不同的应用场景和需求中，电容啸叫产生的影响也不尽相同。对于电子领域的工程师们来说，如何更好地减小电容啸叫带来的影响，需要在成本和实际效果中权衡，选择最佳的解决方案。