MLCC，即多層片式陶瓷電容器，通常被稱為貼片電容，在應(yīng)用中可能會(huì)遇到噪聲嘯叫的問題。聲音是由物體的振動(dòng)所產(chǎn)生的，而人耳能夠識(shí)別的聲波頻率范圍在20Hz至20kHz之間。MLCC在受到電壓作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幅度相對(duì)較大的振動(dòng)，這種振動(dòng)在微觀尺度下雖然很小，但足以發(fā)出人耳能識(shí)別的聲波，即我們聽到的嘯叫聲音。這種聲音的頻率通常位于20Hz至20kHz之間，屬于人耳可聽聲波的范疇。MLCC在受到電壓作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這背后的原理是什么呢?要解答這個(gè)問題，我們首先得了解一個(gè)自然現(xiàn)象——電致伸縮。簡(jiǎn)單來說，電致伸縮就是外電場(chǎng)作用下物質(zhì)產(chǎn)生的伸縮形變。而某些高介電常數(shù)的鐵電材料，如MLCC，其電致伸縮效應(yīng)表現(xiàn)得尤為劇烈，這就是我們所說的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)又分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指，當(dāng)對(duì)具有壓電特性的介質(zhì)材料施加機(jī)械壓力時(shí)，介質(zhì)晶體會(huì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組排布，從而在材料表面感應(yīng)出電荷，產(chǎn)生電位差。嘯叫，這一現(xiàn)象表現(xiàn)為聽到來自PCB板的類似“嘰”或“吱”的聲音。這種問題不僅影響便攜設(shè)備的使用體驗(yàn)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)干擾音頻設(shè)備的播放。那么，嘯叫究竟是如何產(chǎn)生的呢?

高介電常數(shù)的陶瓷電容器在施加電壓時(shí)，會(huì)發(fā)生電介質(zhì)的變形(失真)，這一現(xiàn)象被稱為“逆壓電效應(yīng)”。當(dāng)施加的是直流(DC)電壓時(shí)，這種變形只會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的失真，并無其他影響;然而，如果施加的是具有振幅的電壓，電容器會(huì)周期性地變形，進(jìn)而引起PCB板的振動(dòng)。一旦這種振動(dòng)的頻率落在可聽頻段，即20Hz至20kHz之間，人們就能聽到嘯叫聲。

詳細(xì)地展示了施加電壓與MLCC變形之間的關(guān)聯(lián)。在開關(guān)電源的情境下，輸出電壓是直流(DC)形式的，其中包含了由開關(guān)頻率引發(fā)的紋波電壓。這種輸出紋波會(huì)導(dǎo)致被用作輸出電容器的MLCC產(chǎn)生振動(dòng)。

逆壓電效應(yīng)揭示了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：當(dāng)對(duì)具備壓電特性的介質(zhì)材料施加電壓時(shí)，這些材料會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，進(jìn)而發(fā)生形變。這種形變與正壓電效應(yīng)中由機(jī)械壓力引發(fā)的結(jié)構(gòu)重組排布相似，但方向相反。逆壓電效應(yīng)為電與機(jī)械的相互轉(zhuǎn)換提供了可能，使得我們能夠利用電壓來操控材料的機(jī)械應(yīng)力與形變。壓電效應(yīng)的學(xué)術(shù)解釋如下：當(dāng)在缺乏對(duì)稱中心的晶體上施加壓力、張力和切向力時(shí)，晶體內(nèi)部會(huì)發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，導(dǎo)致晶體兩端面分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，這一系列變化被稱為正壓電效應(yīng)。相反，若在晶體上施加電場(chǎng)以引發(fā)極化，那么將產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度緊密相關(guān)的變形或機(jī)械應(yīng)力，這一現(xiàn)象則被稱為逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)共同構(gòu)成了壓電效應(yīng)的完整概念。

陶瓷介質(zhì)是MLCC的核心成分，其在電壓作用下會(huì)產(chǎn)生電致伸縮，這一現(xiàn)象在壓電效應(yīng)強(qiáng)烈時(shí)尤為明顯，進(jìn)而引發(fā)振動(dòng)。那么，是不是所有的MLCC都會(huì)因此產(chǎn)生嘯叫呢?這主要取決于陶瓷介質(zhì)材料的類型。MLCC的陶瓷介質(zhì)材料可分為順電介質(zhì)和鐵電介質(zhì)兩大類。順電介質(zhì)，也被稱為I類介質(zhì)，包括SrZrO3、MgTiO3等。這類介質(zhì)的電致伸縮形變非常小，即便在工作電壓下，也難以產(chǎn)生噪聲。因此，由順電介質(zhì)(I類介質(zhì))制成的MLCC，例如NPO (COG)等溫度穩(wěn)定性產(chǎn)品，通常不會(huì)出現(xiàn)噪聲嘯叫。

而鐵電介質(zhì)，即II類介質(zhì)，則以BaTiO3、BaSrTiO3等為代表。這類介質(zhì)具有顯著的電致伸縮特性，也就是壓電效應(yīng)。所以，由鐵電介質(zhì)(II類介質(zhì))制成的MLCC，例如X7R/X5R特性產(chǎn)品，在面臨較大的交流電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，就可能產(chǎn)生明顯的噪聲嘯叫。降低MLCC電容器產(chǎn)生的可聽噪聲的方法有多種，但每種方案都會(huì)增加一定的成本。最直接的方法是更換電容器類型，例如采用順電陶瓷電容、鉭電容或薄膜電容等無壓電效應(yīng)的電容器進(jìn)行替代。然而，這一方案需綜合考慮體積、可靠性和成本等多方面因素。另一種方法是調(diào)整電路，消除加在MLCC上的大交變電壓，或?qū)⑵漕l率調(diào)整至人耳不敏感的頻段(例如，避開1KHz~3KHz的人耳最敏感音頻范圍)。此外，優(yōu)化PCB布局和規(guī)格也是降低嘯叫水平的重要措施。最后，選用無噪聲或低噪聲的MLCC也是解決嘯叫問題的有效途徑。當(dāng)前，針對(duì)MLCC的嘯叫現(xiàn)象，已有三種設(shè)計(jì)解決措施可供選擇。

順電介質(zhì)和鐵電介質(zhì)是MLCC陶瓷的主要成分。順電介質(zhì)的電致伸縮形變非常小，以至于在工作電壓下不會(huì)產(chǎn)生可聽到的噪聲。然而，鐵電介質(zhì)具有顯著的電致伸縮特性——壓電效應(yīng)，在較大的交流電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，這類介質(zhì)的MLCC，例如X7R/X5R特性產(chǎn)品，就會(huì)可能產(chǎn)生明顯的噪聲嘯叫。

降低MLCC電容器產(chǎn)生的可聽噪聲，有多種方法可供選擇。首先，通過調(diào)整電路，可以消除加在MLCC上的大交變電壓，或?qū)㈩l率調(diào)整至人耳不敏感的頻段(如1KHz~3KHz)。此外，優(yōu)化PCB布局和規(guī)格也有助于降低嘯叫水平。在MLCC設(shè)計(jì)方面，加厚底部保護(hù)層、采用金屬支架結(jié)構(gòu)、以及采用壓電效應(yīng)弱的介質(zhì)材料，都是目前解決MLCC嘯叫問題的主要措施。

在那么，如何應(yīng)對(duì)這種嘯叫現(xiàn)象呢?嘯叫的產(chǎn)生不僅與電介質(zhì)材料和電容器的形狀有關(guān)，還受到PCB板尺寸和安裝狀態(tài)等多種因素的影響。因此，需要從電容器自身和布局設(shè)計(jì)兩個(gè)方面來探討解決方案。盡管完全消除嘯叫是非常具有挑戰(zhàn)性的，但我們可以采取措施將其改善至容許范圍內(nèi)。接下來，我們將介紹四種有效的應(yīng)對(duì)策略。

優(yōu)化材料及電路板設(shè)計(jì)①通過改進(jìn)材料來優(yōu)化，研發(fā)出采用具有較低逆壓電效應(yīng)、即變形較小的電介質(zhì)材料的MLCC。選用低介電常數(shù)的材料能夠降低失真度。例如，市場(chǎng)上存在如LD(Low Distortion)系列等產(chǎn)品，它們能有效減少嘯叫現(xiàn)象。

②通過電路板設(shè)計(jì)優(yōu)化：在電路板設(shè)計(jì)層面，我們同樣可以進(jìn)行改進(jìn)。例如，針對(duì)同一電源線，可以在PCB板的兩側(cè)都安裝上MLCC ，這樣，兩個(gè)MLCC的振動(dòng)方向相反，能夠相互抵消，從而有效緩解振動(dòng)問題。

結(jié)構(gòu)調(diào)整和改進(jìn)③通過結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)行優(yōu)化：LW(長(zhǎng)度-寬度)逆轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。在MLCC的設(shè)計(jì)中，我們通常發(fā)現(xiàn)其電極間的長(zhǎng)度是大于寬度的。為了減輕PCB板的振動(dòng)，我們可以考慮縮短電極間的長(zhǎng)度，從而減少其變形。具體來說，就是選用寬度大于電極間距離的MLCC類型，這種設(shè)計(jì)被稱為“RGC”逆轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)型，能有效緩解振動(dòng)問題。

④通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)來緩解嘯叫：金屬框架型設(shè)計(jì)。在應(yīng)對(duì)彎曲應(yīng)力導(dǎo)致的嘯叫問題時(shí)，金屬框架型MLCC展現(xiàn)出了顯著的效果。這種設(shè)計(jì)通過金屬框架有效吸收MLCC的振動(dòng)，從而減少了嘯叫現(xiàn)象。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)品相比，金屬框架型MLCC在改善音壓方面取得了顯著成效，最大可提升約30dB。

關(guān)于嘯叫的對(duì)策，有幾個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)需要注意。首先，嘯叫問題不僅與MLCC的材料和形狀相關(guān)，還受到PCB板設(shè)計(jì)和安裝方式的影響，因此需要從多方面進(jìn)行綜合研究。其次，改善嘯叫的效果不僅取決于所選方案，還可能涉及到PCB板布局和元器件的變更。這些變更在實(shí)際操作中可能受到多種限制，例如元器件高度限制等，因此需要在權(quán)衡各種因素后做出決策。例如，金屬框架型MLCC雖然改善效果顯著，但如果元器件高度有限制，可能無法采用。相反，如果LW逆轉(zhuǎn)型MLCC的改善效果足夠好且能解決高度問題，那么就需要對(duì)布線模式和布局進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。下面這個(gè)表格總結(jié)了這些限制事項(xiàng)與對(duì)策之間的關(guān)系，供大家參考。

電容器制造商通常會(huì)提供綜合性的嘯叫對(duì)策，包括上述提及的方法。因此，咨詢制造商以了解適用于特定情況的解決方案是一個(gè)明智的選擇。同時(shí)，我們也需要考慮嘯叫對(duì)疊層陶瓷電容器自身可靠性的潛在影響。如果嘯叫聲并不顯著，是否可以忽視并繼續(xù)使用呢?

事實(shí)上，嘯叫通常被認(rèn)為對(duì)MLCC本身的可靠性沒有顯著影響。MLCC的振動(dòng)幅度非常小，通常在微米至納米級(jí)別范圍內(nèi)。相比之下，利用壓電效應(yīng)的壓電蜂鳴器和陶瓷振蕩器等設(shè)備，其振動(dòng)幅度高達(dá)幾十倍，但這些產(chǎn)品正是利用了這種振動(dòng)來發(fā)揮功能，并具有高度的可靠性。從這個(gè)角度看，MLCC的逆壓電效應(yīng)對(duì)其自身的可靠性并不會(huì)產(chǎn)生特別的影響。