【東佳學堂】電容嘯叫的原因揭秘

2020-08-13 16:47:56 admin 398

減小電容的ESR及ESL,可以有效的減小電源上的紋波及噪音,此外電源模組的小型化也是趨勢,所以片式多層陶瓷電容MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor)越來越多地被用於輸出電容。


但是,使用MLCC電容會產生一個新的問題,它的結構會導致嘯叫。


 

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嘯叫的MLCC電容

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陶瓷的強介電性會引起壓電效應,疊層電容在施加交流電之後,會在疊層方向(Z軸)發生伸縮。
因為介電體的泊松比(橫向變形係數)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生伸縮,結果導致電路板表面產生振動並能夠聽到聲音。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。 

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


所以,電容的嘯叫實際上是電容的壓電效應導致了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,當然這會增加成本,如圖3。 

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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,儘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域;
然後,使用示波器排查可疑的電壓信號,如圖4羅列了一些曾經引起電容嘯叫的電壓信號,供參考。
#18.4KHZ#

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#6.3KHZ#
#4.3KHZ,輕載模式#

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圖4. 曾經引起電容嘯叫的電壓信號

通過總結相關案例,電容的嘯叫現象多數發生在輕載模式。據其原因,因為在輕載模式下晶片一般會進入高效模式。在高效模式,系統處於半開環模式,晶片監控回饋電壓但是不採取即時回應,只有當輸出電壓低於閾值時,才會發送幾個PWM脈衝,往電感和輸出電容裏充一點點的電。圖5是輕載模式下的開關節點V_PHASE信號。

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圖5.輕載模式下的開關節點信號

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,所以容易發生嘯叫事件。


輕載模式的本意是好的,為了降低系統的靜態電流。當系統處在Deep sleep模式,一般只有少數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地設置的話,系統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,這樣的後果是離散的開關脈衝也許會引起電容的嘯叫。

關於輕載模式和強制PWM模式的設置的一般建議如下:
1、一級電源並且是常電模式,建議軟體參與控制。在系統進入休眠之前,由軟體設置晶片進入輕載模式;當系統從休眠模式被喚醒,軟體需要及時地將電源設置為強制PWM模式。
2、如果是二級電源並且對輕載效率的要求不是特別嚴苛時,儘量全程設置為強制PWM模式。

有一些電路特別是低成本的簡易電路,軟體沒有辦法設置PWM模式,不幸又發生了電容嘯叫事件,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、“多餘”的電容也會引起環路不穩定,導致嘯叫,可嘗試移除一些“可有可無”的電容;
4、過大的輸出電容會導致相位裕量過大,這會延緩進入PWM模式的時機,嘗試適當減小相位裕量。