村田：笔记本电脑MLCC啸叫问题分析与优化对策

　　传统电子设备中使用了很多钽电容器和铝电解电容器，但近年来由于产品小型化和可靠性等问题，已逐步被陶瓷电容器替换。随着电子设备的多功能化和静音化的发展，在笔记本电脑、智能手机(手机)、汽车导航系统、无线充电等的电源电路中，以前不起眼的陶瓷电容器产生的“啸叫(声音)”已成为设计方面的一个大问题。

　　在笔记本电脑中，由电源线上使用的陶瓷电容器产生的“啸叫(声音)”有时会成为问题。如果将工作模式改为睡眠状态/待机画面等，笔记本电脑的内部动作将发生变化，因此“啸叫(声音)”的音量会根据工作模式而改变，听到的感受也会有所不同。

　　本文对笔记本电脑电源线中的电容器产生的“啸叫(声音)”的对策、评估方法以及产生机制进行介绍。

　　笔记本电脑“啸叫”

　　笔记本电脑中易于发生“啸叫(声音)”的工作模式，以下三种比较常见：

　　1.睡眠模式(降压转换器：PFM模式)

　　2.液晶背光(升压转换器：PWM调光)

　　3.摄像头模式/重负载模式(间歇工作)

　　笔记本电脑中易于发出“啸叫(声音)”的电容器在哪个位置?笔记本电脑中的电源线(DC-DC converter的一次侧)多使用电容器。若在该电源线上使用陶瓷电容器时，有时会产生啸叫。

笔记本电脑电源线的简图(示意图)

笔记本电脑的电路图(简图)

　　一般来说，容易产生“啸叫(声音)”的电容器具有以下几个特点：

　　1.电容器尺寸大。

　　2.静电容量大。

　　3.线电压和电压变动(电流变动)大。

　　4.同一条线上安装了多个符合上述内容的

　　陶瓷电容器。

　　总的来说，笔记本电脑电源线上的电容器容易产生“啸叫”的原因如下：

　　1.电源线电压为10～20V，比较高。

　　2.为了给CPU、摄像头、RF模块等各电路供电，电压容易发生变动。

　　3.如果元件尺寸/静电容量较大，由于施加电压而导致的介电质膨胀/收缩也会变大。

　　啸叫产生机制

　　为什么陶瓷电容器会产生“啸叫(声音)”?下面对啸叫产生机制和本公司进行的和啸叫评估方法进行说明。

　　啸叫的产生机制

　　多层陶瓷电容器上使用的铁电体需要有压电性。存在电场时，发生失真，由于芯片膨胀、收缩，产生“啸叫(声音)”。

　　采用啸叫对策的效果

　　与笔记本电脑中易于发生啸叫的工作模式/具有高声压级的工作模式——睡眠状态/待机画面相关的啸叫对策效果示例。

　　电源线上的电容器对应效果

　　如果在电源线中使用陶瓷电容器时产生啸叫，可以通过对产生啸叫的电容器采取啸叫对策来降低声压级——效果对比见上图。当然，改良啸叫问题的第一步，是进行电路啸叫问题的评估。

　　啸叫的评估

　　啸叫的评估方法主要是以下两种：

　　1.声压级测量

　　2.电压变动测量

　　既然“声音”就是问题所在，那么“声压级”就是主要的测量对象。电波暗箱中使测量物体处在工作状态，通过话筒，用声级计测量声压级。此外，为了评估和对策，用FFT分析仪确认声压级的频率特性。

　　声压级测量

　　为了调查产生啸叫的电容器，我们还可对“电压变动”进行测量。在被测物处于工作状态时，确认查电容器上是否施加了可听频率范围(20Hz～20kHz)内的纹波电压。

　　电压变动测量

　　声压级和电压变动有什么关系呢?

　　如果施加在电容器上的电压变动的频谱在与声压级的频率特性相同的频率时变高(下图红色虚线框内)，则可以确定该电容器是产生啸叫的原因。

　　关于声压级和电压变动关系

　　案例：笔记本电脑电源线

　　将笔记本电脑的工作模式改变为睡眠模式/待机画面后，笔记本电脑内部的动作会发生变化，因此声压级/电压变动也会发生变化。操作模式不同，声压级也不同，所以，有必要对正在发生啸叫的工作模式和容易发生啸叫的工作模式分别进行评估。

　　操作模式不同，声压级也不同

　　下图为电源线中作为啸叫对策对象的电容器的简化电路图。粉色框表示电源线中容易产生啸叫的电容，是采取啸叫对策的对象。

　　电源线中作为啸叫对策对象的电容器(简化电路图)

　　在通过DC-DC转换器分支到各电路之前，它们在同一条电源线上，电压变动几乎相同。因此，有必要针对该电源线上的全部电容器采取预防啸叫的对策。

　　电源线的啸叫对策不是替换部分电容器，而是将电容器全部替换为防啸叫产品，从而可以将声压级进一步降低。

　　按照电路[A-C]的顺序，将普通电容器替换为防啸叫产品。

　　通过增加替换为防啸叫产品的电容器数量，逐渐降低声压级。

　　替换评估：

　　本次评估使用的电容器产品为村田制作所的以下两款MLCC：

　　对策前：

　　普通MLCC　GRM31MR61E106KA01

　　对策后：

　　防啸叫产品　KRM31FR61E106KH01

　　睡眠和待机状态下的效果如下

　　睡眠状态的替换评估数据

　　待机画面的替换评估数据

　　防啸叫产品介绍

　　了解了啸叫的原因及相应对策，才能正确选择防啸叫产品。在村田公司，如果因陶瓷电容器的影响而产生了啸叫问题，会根据影响啸叫的原因提出使用防啸叫产品和元件配置等方面的建议，以应对改善啸叫问题。

　　啸叫的原因及对策

　　对策1：带金属端子MLCC

　　控制圆角以使其难以将振动传递到电路板，可以使用带有金属端子的类型，比如村田的KRM系列带金属端子多层陶瓷电容器，通过端子板等将陶瓷电容器浮起安装在电路板上，从而抑制振动向电路板传递。

　　村田的KRM系列带金属端子多层陶瓷电容器

　　对策2：带内插式基板低啸叫MLCC

　　控制圆角以使其难以将振动传递到电路板，也可以使用带内插式基板低啸叫片状多层陶瓷电容器，比如村田的ZR*系列。通过将陶瓷电容器贴装在插入板上，抑制电容器振荡传播的类型。

　　村田的ZR*系列带内插式基板低啸叫片状多层陶瓷电容器

　　对策3：使用不易产生啸叫的材料

　　使用不易产生啸叫的材料，比如村田的ECAS系列聚合物铝电解电容器。聚合物铝电解电容器的材料和结构都与陶瓷电容不同，因此该类型不会因电容而产生失真。

　　ECAS系列聚合物铝电解电容器

　　以上三种对策产品的参数和应用的对比如下图：

　　产品对比

　　总结

　　啸叫产生的机制

　　对电容器施加电压时，电路板会随着电压的振幅而振动，当振幅的周期位于可听频率范围(20Hz～20kHz)时，由电容器产生的啸叫就会作为“刺耳的声音”成为问题。

　　啸叫的评估方法

　　由于问题是“声音”，所以我们对声压级进行测量和评估并确认了替换效果。

　　仅靠声压级无法确定啸叫是否是由电容引起的。为了确认啸叫的产生机制，必须对电压变动进行测量和评估。(如有必要，还要对电路板的位移量进行测量和评估。)

　　笔记本电脑易发生啸叫的工作模式

　　笔记本电脑中易于发生啸叫的工作模式有三种：

　　(1)睡眠模式(降压转换器：PFM模式);

　　(2)液晶背光(升压转换器：PWM调光);

　　(3)摄像头模式/重负载模式(间歇工作)。

　　易于产生啸叫的电容器

　　易于产生啸叫的电容器通常有几个“特征”：

　　(1)电容器尺寸大;

　　(2)静电容量大;

　　(3)线电压和电压变动(电流变动)大;

　　(4)同一条线上安装了多个符合上述内容的陶瓷电容器。

　　在笔记本电脑中，电容器用于电源线(DC-DC转换器的一次侧)。电源线的电压一般较高，给功率较大的电路供电，所以容易产生电压变动，因此，这一部分易于产生啸叫。

　　本文讨论了笔记本电脑的替换评估方案。工作模式改变后，笔记本电脑内部的动作会发生变化，声压级/电压变动/电路板的位移量也会发生变化，因此有必要对每种易于产生啸叫的工作模式分别进行评估。在电源线(DC-DC转换器的一次侧)中使用了多个陶瓷电容器时，不是对电源线的部分电容器实施啸叫对策，而是将该电源线上的所有电容器全部替换为防啸叫产品，从而可以进一步降低声压级。