原文来自公众号:硬件工程师看海
随着笔记本电脑、手机等设备的普及,由电容器振动所产生的“啸叫”问题越来越多的受到人们的关注,如何优化各电源架构的电容啸叫,让电容闭嘴,是一个有趣的问题。
MLCC电容器发生啸叫主要是由陶瓷的压电效应引起的,MLCC电容器由于其特殊的结构,当施加在两端的电场变换时,可以引起成比例的机械应力的变化,此为逆压电效应,当振动频率落入人耳听觉范围内时,就会产生噪音,即所谓的“啸叫”。正压电效应相反,是受到力的作用,产生电场的过程。
无论是笔记本电脑还是手机,对电源的要求越来越高,通常在电源网络上并联大量的MLCC电容,如BUCK、BOOST架构的电源,当设计异常或者负载工作模式异常时,就很容易产生“啸叫”。
在笔记本电脑中,当电脑处于休眠状态,或者启动摄像头时,容易产生啸叫。
在手机中,最典型的一个案例是GSM所用的PA电源,此电源线上的特点是功率波动大、波动频率为典型的217Hz,落入人耳听觉范围内(20Hz～20Khz),当GSM通话时,用专用听诊器听此电源线上的电容,很容易听到“滋滋”啸叫音。
如何抑制?
1． BUCK电源通常有PWM和PFM两种工作模式。PWM工作模式时纹波小,用在负载功耗比较高的条件下,为了避免BUCK在PWM工作模式时,给电容充电的开关频率进入人耳范围内引起啸叫,有的电源的开关频率会刻意避开20hz～20Khz这个开关频率。
2． 当电源处于轻载模式时,会间歇性的工作,间歇性输出几个脉冲,这个间歇性脉冲的频率,也有可能被人耳听到。所以也要从电源或者负载的角度,来优化PFM工作时间歇性脉冲的工作频率,避免啸叫。
3． 另一个是隐含的一个状态,在项目初期,系统往往不稳定,负载在正常和低功耗模式之间反复切换,电源也容易在PWM和PFM两个模式之间反复切换,这个切换的时隙,这也可能引起啸叫,需要软件优化系统的稳定性,避免负载工作模式异常切换来避免啸叫。
4． BUCK电感的饱和电流选取不合适时,有可能使得输出电流增加,会误触发电源进入过流保护,电源在正常工作模式和过流保护模式之间反复切换,也有一定可能性引起啸叫,电感选取一定要合适。
5． 开关电源本身纹波就大,多相开关电源具有纹波小、电流大的优点,通过交错相位,可以有效减小电源的纹波进而抑制啸叫。
6． 抑制啸叫,除了上述软件、参数、架构的修改之外,一个典型的方案是使用抗啸叫电容,比如村田KRM系列和ZRB系列。
其特殊的结构可降低电容器的啸叫现象,可吸收由热量和机械冲击引起的应力,实现高可靠性。相比于Ta电容,抗啸叫MLCC电压变动⊿V比初期小7～22%。
7． 在布局的时候,也可以优化布局,电容彼此之间交错排列,抑制振动。
8． 甚至有的人提出了在电容旁边挖槽,缓解啸叫的方案。
以上就是电容啸叫的原理以及规避建议。
