干货 | 探究——电容啸叫的原因揭秘

winniewei 提交于 周一, 10/19/2020
干货  探究——电容啸叫的原因揭秘

来源 | 网络

减小电容的ESR及ESL,可以有效的减小电源上的纹波及噪音,此外电源模块的小型化也是趋势,所以片式多层陶瓷电容MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor)越来越多地被用于输出电容。

但是,使用MLCC电容会产生一个新的问题,它的结构会导致啸叫。

图1.啸叫的MLCC电容

图1.啸叫的MLCC电容

如图2所示,陶瓷的强介电性会引起压电效应,叠层电容在施加交流电之后,会在叠层方向(Z轴)发生伸缩。

因为介电体的泊松比(横向变形系数)一般为 0.3,所以与叠层方向(Z轴)垂直的方向(X与Y轴),即与电路板平行的方向也会发生伸缩,结果导致电路板表面产生振动并能够听到声音。虽然电容器以及电路板的振幅仅为 1pm~1nm,但振动声音已足够大到我们可以听见,会听到类似“叽”的声音。 

术语解释:泊松比是指材料在单向受拉或受压时,横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值,也叫横向变形系数,它是反映材料横向变形的弹性常数。

图2.MLCC电容产生啸叫的原因

图2.MLCC电容产生啸叫的原因

所以,电容的啸叫实际上是电容的压电效应导致了PCB的形变。因此,抑制电容啸叫的主要措施是抑制或者抵消PCB的形变。比如,可以将引起啸叫的电容在同一面,以不同的角度摆放;或者将其在正反两面,正对着摆放;还有,可以选择带支架的电容器,当然这会增加成本,如图3。 

图3.带支架的MLCC电容

图3.带支架的MLCC电容

以上通过抑制PCB形变的方式来处理电容啸叫的问题治标不治本,尽量得从源头上处理掉引起啸叫的原因。实际上,引起电容啸叫的原因很单纯,必定是电容上被加载了人耳可以听到的交流电(频率为20HZ~20KHZ)。

所以,基本的分析思路如下:
首先,用耳朵大致搜寻电容正在啸叫的那一片区域;
然后,使用示波器排查可疑的电压信号,如图4罗列了一些曾经引起电容啸叫的电压信号,供参考。

#18.4KHZ#

图4. 曾经引起电容啸叫的电压信号

#6.3KHZ#

图4. 曾经引起电容啸叫的电压信号

#4.3KHZ,轻载模式#

图4. 曾经引起电容啸叫的电压信号

图4. 曾经引起电容啸叫的电压信号

通过总结相关案例,电容的啸叫现象多数发生在轻载模式。据其原因,因为在轻载模式下芯片一般会进入高效模式。在高效模式,系统处于半开环模式,芯片监控反馈电压但是不采取实时响应,只有当输出电压低于阈值时,才会发送几个PWM脉冲,往电感和输出电容里充一点点的电。图5是轻载模式下的开关节点V_PHASE信号。

图5.轻载模式下的开关节点信号

图5.轻载模式下的开关节点信号

在轻载模式下,输出电压的纹波电压会比较大,同时流过电容的交流电的频率也比较离散,所以容易发生啸叫事件。 

轻载模式的本意是好的,为了降低系统的静态电流。当系统处在Deep sleep模式,一般只有少数几路常电在以极低的负载电流(如一两百微安)在工作,所以这一点能量一般不足以引起电容的啸叫。

但是,如果轻载模式(Sleep Mode)与Normal PWM模式(Normal Operation Mode)切换的阈值没有被恰当地设置的话,系统可能会在负载电流比较小的时候仍然停留在轻载模式而无法切入Normal PWM模式,这样的后果是离散的开关脉冲也许会引起电容的啸叫。

关于轻载模式和强制PWM模式的设置的一般建议如下:

1、一级电源并且是常电模式,建议软件参与控制。在系统进入休眠之前,由软件设置芯片进入轻载模式;当系统从休眠模式被唤醒,软件需要及时地将电源设置为强制PWM模式。

2、如果是二级电源并且对轻载效率的要求不是特别严苛时,尽量全程设置为强制PWM模式。

有一些电路特别是低成本的简易电路,软件没有办法设置PWM模式,不幸又发生了电容啸叫事件,可以尝试以下几种方法:

1、更换电容的数值,甚至尝试不同厂家或者不同型号的电容;

2、 安装假负载(小阻值的电阻作为假负载),这是没办法时的办法;

3、“多余”的电容也会引起环路不稳定,导致啸叫,可尝试移除一些“可有可无”的电容;

4、过大的输出电容会导致相位裕量过大,这会延缓进入PWM模式的时机,尝试适当减小相位裕量。

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