【電子知識】電容嘯叫原因圖文分享-KIA MOS管

減小電容的ESR及ESL，可以有效的減小電源上的紋波及噪音，此外電源模塊的小型化也是趨勢，所以片式多層陶瓷電容MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor)越來越多地被用于輸出電容。但是，使用MLCC電容會產(chǎn)生一個新的問題，它的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致嘯叫。

圖1.嘯叫的MLCC電容

如圖2所示，陶瓷的強介電性會引起壓電效應(yīng)，疊層電容在施加交流電之后，會在疊層方向（Z軸）發(fā)生伸縮。

因為介電體的泊松比（橫向變形系數(shù)）一般為 0.3，所以與疊層方向（Z軸）垂直的方向（X與Y軸），即與電路板平行的方向也會發(fā)生伸縮，結(jié)果導(dǎo)致電路板表面產(chǎn)生振動并能夠聽到聲音。

雖然電容器以及電路板的振幅僅為 1pm～1nm，但振動聲音已足夠大到我們可以聽見，會聽到類似“嘰”的聲音。

術(shù)語解釋：泊松比是指材料在單向受拉或受壓時，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對值的比值，也叫橫向變形系數(shù)，它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。

圖2.MLCC電容產(chǎn)生嘯叫的原因

所以，電容的嘯叫實際上是電容的壓電效應(yīng)導(dǎo)致了PCB的形變。因此，抑制電容嘯叫的主要措施是抑制或者抵消PCB的形變。

比如，可以將引起嘯叫的電容在同一面，以不同的角度擺放；或者將其在正反兩面，正對著擺放；還有，可以選擇帶支架的電容器，當(dāng)然這會增加成本，如圖3。

3.帶支架的MLCC電容

以上通過抑制PCB形變的方式來處理電容嘯叫的問題治標不治本，盡量得從源頭上處理掉引起嘯叫的原因。實際上，引起電容嘯叫的原因很單純，必定是電容上被加載了人耳可以聽到的交流電（頻率為20HZ~20KHZ）。

所以，基本的分析思路如下：

首先，用耳朵大致搜尋電容正在嘯叫的那一片區(qū)域；然后，使用示波器排查可疑的電壓信號，如圖4羅列了一些曾經(jīng)引起電容嘯叫的電壓信號，供參考。

圖4. 曾經(jīng)引起電容嘯叫的電壓信號

通過總結(jié)相關(guān)案例，電容的嘯叫現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在輕載模式。據(jù)其原因，因為在輕載模式下芯片一般會進入高效模式。在高效模式，系統(tǒng)處于半開環(huán)模式，芯片監(jiān)控反饋電壓但是不采取實時響應(yīng)，只有當(dāng)輸出電壓低于閾值時，才會發(fā)送幾個PWM脈沖，往電感和輸出電容里充一點點的電。圖5是輕載模式下的開關(guān)節(jié)點V_PHASE信號。

圖5.輕載模式下的開關(guān)節(jié)點信號

在輕載模式下，輸出電壓的紋波電壓會比較大，同時流過電容的交流電的頻率也比較離散，所以容易發(fā)生嘯叫事件。

輕載模式的本意是好的，為了降低系統(tǒng)的靜態(tài)電流。當(dāng)系統(tǒng)處在Deep sleep模式，一般只有少數(shù)幾路常電在以極低的負載電流（如一兩百微安）在工作，所以這一點能量一般不足以引起電容的嘯叫。

但是，如果輕載模式（Sleep Mode）與Normal PWM模式（Normal Operation Mode）切換的閾值沒有被恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置的話，系統(tǒng)可能會在負載電流比較小的時候仍然停留在輕載模式而無法切入Normal PWM模式，這樣的后果是離散的開關(guān)脈沖也許會引起電容的嘯叫。

關(guān)于輕載模式和強制PWM模式的設(shè)置的一般建議如下：

1、一級電源并且是常電模式，建議軟件參與控制。在系統(tǒng)進入休眠之前，由軟件設(shè)置芯片進入輕載模式；當(dāng)系統(tǒng)從休眠模式被喚醒，軟件需要及時地將電源設(shè)置為強制PWM模式。

2、如果是二級電源并且對輕載效率的要求不是特別嚴苛?xí)r，盡量全程設(shè)置為強制PWM模式。

有一些電路特別是低成本的簡易電路，軟件沒有辦法設(shè)置PWM模式，不幸又發(fā)生了電容嘯叫事件，可以嘗試以下幾種方法：

1、更換電容的數(shù)值，甚至嘗試不同廠家或者不同型號的電容；

2、安裝假負載（小阻值的電阻作為假負載），這是沒辦法時的辦法；

3、“多余”的電容也會引起環(huán)路不穩(wěn)定，導(dǎo)致嘯叫，可嘗試移除一些“可有可無”的電容；

4、過大的輸出電容會導(dǎo)致相位裕量過大，這會延緩進入PWM模式的時機，嘗試適當(dāng)減小相位裕量。

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