我們偶爾會在一些單板上電的瞬間或則工作時聽到嘯叫聲,像我這種對聲音敏感的人,當年第一次聽到這個聲音時就被嚇個半死,這貨會不會爆炸啊?其實這主要是由電感器或電容器在開關電源中共震所導致的。那對于電容器的嘯叫來說,對電容本身的性能或可靠性,是否會有影響呢?
電容器的嘯叫主要由于電容器的“電致伸縮”效應導致的,所謂電致伸縮效應:指在外電場作用下,某些多晶材料分子集團會發生轉動(被極化),使其極化方向與外加電場趨于一致,從而使材料沿外加電場方向的長度發生變化(伸縮形變),表現為彈性應變;同時電致伸縮效應也有逆效應:具有電致伸縮效應的多晶材料在經受外加應力產生形變時,使其總的極化強度發生變化,表現為電極化(產生電場)。
壓電效應與電致伸縮效應兩者有相同的表現形式:正壓電效應的表現結果與逆電致伸縮效應相當,而逆壓電效應的表現結果與正電致伸縮效應相當。壓電效應可分為:正壓電效應和逆壓電效應:
——在沒有對稱中心的晶體上施加壓力、張力和切向力時,則發生與應力成比例的介質極化,同時在晶體兩端面將出現正、負電荷,這一現象稱為正壓電效應。反之在晶體上施加電場而引起極化,則產生與電場強度成比例的變形或機械應力。
1.正壓電效應:對具有壓電特性的介質材料施加機械壓力的作用而變形時,其內部會產生極化現象,同時在兩個相對表面上出現正負相反的電荷,其電荷密度與外機械力成正比;當外力去掉后,它又會恢復到不帶電的狀態;
2.逆壓電效應:當在電介質的極化方向上施加電場,這些電介質也會發生變形,電場去掉后,電介質的變形隨之消失。
———如果壓力是一種高頻震動,則產生的就是高頻電流;而高頻電信號加在壓電陶瓷上時,則產生高頻聲信號(機械震動),這就是我們平常所說的超聲波信號;即:壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能。
MLCC設計制造陶瓷介質材料主要:順電介質和鐵電介質兩大類;
1. I類順電介質(NPO/C0G)伸縮形變很小,不會產生嘯叫聲;
2. II類鐵電介質(X7R/X5R)具有強烈的壓電效應,會產生明顯噪聲:X7R/X5R類中高容量電容器,會產生明顯的嘯叫(開關電源、高頻電源等應用),頻率在20Hz~20kHz之間便能被人耳感知到;
3. II類鐵電介質在交變電場作用下,存在晶體內部分子集團(電疇)交替轉向(極化)內摩擦:交變場越大,內摩擦越嚴重,失效機率上升(通過嘯叫聲音大小反映);
4. II類鐵電介質壓電效應與電場強度成正比:外加電壓不變,介質越薄,壓電效應越強,嘯叫聲音越大;電容器額定電壓由材質和介質厚度決定的,劇烈的嘯叫表示對當前工作電壓所選用的電容器介質厚度過薄,應當考慮:選用介質更厚,額定電壓更高的電容器。
大部分情況下電容嘯叫對單板的可靠性影響并不大,但嘯叫聲太大特別是消費類電子,會影響產品體驗;那如何解決嘯叫問題?有如下幾種方案:
1.將出現嘯叫的電容器更換為NP0/鉭電容/薄膜電容等;
2.調整電路去除交變電壓或調整頻率移出人耳范圍(20Hz~20KHz);
3.優化PCB布局及PCB板規格,降低嘯叫水平。