Ruido acústico de MLCC

Los insectos y los pájaros cantan, el agua de manantial canta y suena, y el sonido proviene de la vibración de los objetos. Es bien sabido que el oído humano puede reconocer ondas sonoras con una frecuencia de vibración de 20 Hz ~ 20 kHz. Sin embargo, los condensadores cerámicos de chip multicapa (MLCC) a veces producen ruido acústico. ¿Qué está pasando?

Los condensadores cerámicos multicapa (MLCC) están hechos de medio cerámico y electrodo interno metálico que se superponen de forma escalonada. Después de una sinterización a alta temperatura una sola vez, se forma el chip cerámico y luego se sella la capa metálica del electrodo exterior en ambos extremos del chip. El sistema de material dieléctrico de este tipo de condensador cerámico se divide principalmente en dos tipos: I dieléctrico cerámico y II dieléctrico cerámico.

El dieléctrico cerámico pertenece al medio paraeléctrico (los materiales principales son SrZrO3, MgTiO3, etc.), y el dieléctrico cerámico no producirá deformación electroestrictiva. Por lo tanto, el MLCC hecho de material dieléctrico cerámico, como un capacitor cerámico con características CG, no producirá ruido acústico cuando esté en funcionamiento, pero la constante dieléctrica de este tipo de medio es muy pequeña, generalmente entre 10 ~ 100, por lo que no puede producir un condensador de gran capacitancia.

Los medios tipo Ⅱ pertenecen a medios ferroeléctricos (el material principal es BaTiO3, BaSrTiO3, etc.), y los materiales ferroeléctricos producirán deformación electroestrictiva. Los MLCC fabricados con dieléctricos tipo II, como X7R, X5R, etc., generalmente tienen una constante dieléctrica entre 2000 y 4000, y la capacitancia del capacitor es relativamente grande, y es fácil producir un ruido evidente bajo la acción de un señal de CA específica.

¿Por qué MLCC tiene ruido acústico?

Para comprender mejor la naturaleza del ruido acústico de los condensadores, primero comprendamos un fenómeno natural: el efecto piezoeléctrico.

En 1880, los hermanos Pierre Curie y Jacques Curie descubrieron que la turmalina tiene un efecto piezoeléctrico. En 1984, el físico alemán Wodemar Voith dedujo que sólo los cristales con 20 grupos de puntos sin centro de simetría podían tener el efecto piezoeléctrico. El efecto piezoeléctrico se debe a la disposición especial de los átomos en la red cristalina del material piezoeléctrico, lo que hace que el material tenga el efecto de acoplar el campo de tensión y el campo eléctrico.

La definición académica del efecto piezoeléctrico es: cuando ciertos dieléctricos son deformados por fuerzas externas en una determinada dirección, se producirá polarización en su interior y, al mismo tiempo, aparecerán cargas positivas y negativas en sus dos superficies opuestas. Cuando se elimina la fuerza externa, volverá a un estado sin carga. Este fenómeno se llama efecto piezoeléctrico positivo. Cuando cambia la dirección de la fuerza, también cambia la polaridad de la carga. Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico a la dirección de polarización del dieléctrico, estos dieléctricos también se deformarán. Una vez eliminado el campo eléctrico, desaparece la deformación del dieléctrico. Este fenómeno se denomina efecto piezoeléctrico inverso o electroestricción. Estos dos efectos piezoeléctricos positivos e inversos se denominan colectivamente efectos piezoeléctricos. El efecto piezoeléctrico es un fenómeno en el que se intercambia energía mecánica y energía eléctrica en materiales dieléctricos.

Obviamente, el ruido acústico del condensador MLCC que estamos analizando pertenece a la categoría de efecto piezoeléctrico inverso. En términos más generales, bajo la acción de un campo eléctrico externo, el medio cerámico ferroeléctrico con efecto piezoeléctrico sufrirá expansión y contracción. Este tipo de expansión y contracción se llama electroestricción. Las propiedades electroestrictivas de los diferentes medios cerámicos también son diferentes. Para otros tipos de condensadores, debido a que el material dieléctrico no tiene un efecto piezoeléctrico, o el efecto piezoeléctrico es mínimo, el aullido en el circuito se debe básicamente a la vibración generada por el efecto piezoeléctrico inverso del medio cerámico ferroeléctrico MLCC.

(Red de fuente de imagen)

Como se muestra en la figura anterior, la ferroelectricidad del medio cerámico ferroeléctrico producirá ruido de efecto piezoeléctrico. El índice general de Poisson (coeficiente de deformación transversal) de los dieléctricos MLCC es aproximadamente 0,3. Después de aplicar una señal de CA, los condensadores cerámicos multicapa se estirarán y deformarán en la dirección paralela a la dirección de apilamiento y a la placa de circuito, y la amplitud resultante suele ser de un nivel de pm a nm. Cuando no está soldado a la placa de circuito, la impedancia acústica de un solo condensador es diferente a la del aire, pero si este es el caso, debería ser casi inaudible. Cuando el condensador cerámico se suelda en la placa de circuito, el condensador y la placa de circuito están conectados rígidamente y la deformación del condensador tirará de la placa de circuito. La placa de circuito se convierte en un transformador de impedancia acústica. Cuando la frecuencia de vibración alcanza el nivel distinguiblebanda de frecuencia (20 Hz ~ 20 kHz) del oído humano, entonces escuchará ruido acústico.

¿En qué ocasiones MLCC tiene ruido acústico?

En los circuitos de audio comunes, especialmente los audiófilos, a la gente suele gustarle utilizar condensadores electrolíticos de rubí, diamante negro y otros. Debido a que la frecuencia de trabajo del circuito de audio suele ser relativamente baja, como varios kHz o decenas de kHz, el condensador cerámico ferroeléctrico puede producir un silbido que el oído humano puede escuchar a esta frecuencia de trabajo. Este efecto se perderá en frecuencias mucho más altas que 30 kHz, porque el capacitor en sí no puede responder rápidamente para cambiar el nivel de presión. Por lo tanto, el rango de respuesta máxima y las características de ruido determinan que estos condensadores deben usarse con precaución en circuitos de audio y circuitos de alta ganancia.

Bajo la acción de señales de CA específicas, los MLCC que utilizan dieléctricos cerámicos ferroeléctricos (como X7R/X5R) pueden producir aullidos. El aullido violento proviene de una vibración violenta y la amplitud de la vibración está determinada por el grado del efecto piezoeléctrico, que es proporcional a la intensidad del campo eléctrico. Cuando el voltaje aplicado es constante, cuanto más delgado es el medio, más fuerte es el efecto piezoeléctrico y más fuerte es el aullido.

¿Cuál es el impacto del ruido acústico del MLCC?

Debido a la existencia de aullidos capacitivos, cuando los dispositivos electrónicos móviles están cerca del oído humano, el ruido audible generado por los productos electrónicos (computadoras portátiles, tabletas, teléfonos inteligentes, etc.) afectará los sentimientos del usuario y los aullidos violentos harán que las personas se sientan irritables. .

Bajo un campo eléctrico alterno, los dominios ferroeléctricos de los condensadores cerámicos ferroeléctricos girarán alternativamente a medida que cambia la dirección del campo eléctrico, provocando fricción dentro de los dominios ferroeléctricos y aumentando la probabilidad de falla del capacitor. Además, la aparición de un silbido en el condensador también indica que la ondulación de voltaje en el condensador es demasiado grande. Una onda de voltaje severa afectará el funcionamiento normal del circuito y hará que el circuito funcione de manera anormal.

Cómo solucionar el ruido acústico de MLCC

Hay muchas formas de resolver el ruido generado por los condensadores MLCC y la solución puede aumentar el costo.

1. Cambiar el tipo de material dieléctrico del condensador es el método más directo. Utilice condensadores cerámicos de Clase I, condensadores de película, condensadores electrolíticos de tantalio, condensadores electrolíticos de aluminio y otros condensadores que no tengan efecto piezoeléctrico. Sin embargo, es necesario considerar cuestiones como el espacio volumétrico, la confiabilidad y el costo.

2. Ajuste el circuito para eliminar el voltaje alterno aplicado al MLCC tanto como sea posible.

3. Ajuste las especificaciones y el diseño de la placa de circuito PCB para reducir la vibración y ayudar a reducir el nivel de aullidos.

4. Ajuste el tamaño de MLCC.

5. Utilice MLCC sin ruido o con poco ruido.

En base a esto, para el producto MLCC en sí, podemos adoptar las siguientes estrategias de solución

(1) Espesar la capa protectora. Dado que el espesor de la capa protectora no tiene electrodos internos, esta parte de la cerámica BaTiO3 no se deformará. Cuando la altura de soldadura en ambos extremos no excede el espesor de la capa protectora inferior, la deformación generada en este momento tendrá menos impacto en la PCB, lo que puede reducir efectivamente el ruido.

(2) Estructura de soporte metálica adicional. El diagrama de estructura del condensador de soporte es el siguiente. Utiliza un soporte de metal para aislar el chip MLCC de la placa PCB. El efecto piezoeléctrico inverso produce deformación y amortigua elásticamente el soporte metálico para reducir el efecto en la placa PCB, reduciendo así eficazmente el ruido.

(3) Adoptar una estructura de producto líder. El principio es similar al del soporte metálico.

(4) Diseño y fabricación utilizando materiales dieléctricos con efecto piezoeléctrico débil. Al dopar aún más el titanato de bario (BaTiO3) para sacrificar una determinada constante dieléctrica y características de temperatura, se obtiene un material dieléctrico con un efecto piezoeléctrico muy reducido, y el MLCC fabricado con él puede reducir eficazmente el ruido.

(5) Diseño integrado en sustrato. Se adopta una nueva estructura con condensadores montados en la placa de circuito intermedio para suprimir los aullidos.

Conclusión

Basado en el fenómeno del ruido acústico de los capacitores MLCC, combinado con la estructura del capacitor dieléctrico cerámico en chip y las características del material dieléctrico cerámico, analizamos el mecanismo de aullido de los capacitores dieléctricos cerámicos ferroeléctricos y finalmente enumeramos las soluciones y estrategias para resolver el problema. fenómeno del aullido. . En diferentes escenarios de aplicación, los ingenieros en el campo de la electrónica deben sopesar el costo y los efectos reales y elegir la mejor solución para desarrollar mejores productos.