Tìm hiểu về Hiệu ứng Áp điện MLCC: Tại sao Tụ gốm lại "Hát" và Làm thế nào để ngăn chặn nó?

Các kỹ sư thiết kế phần cứng và nhà sản xuất thiết bị nghe nhìn thỉnh thoảng gặp phải một hiện tượng khó hiểu: một bảng mạch in đầy đủ chức năng phát ra âm thanh ù hoặc "hát" mờ nhạt, the thé. Trong nhiều trường hợp, nguồn của tiếng ồn âm thanh này không phải là loa, máy biến áp hoặc quạt làm mát mà là Tụ gốm nhiều lớp (MLCC) được gắn trên bo mạch.

Hành vi này được điều khiển bởi một tính chất vật lý cơ bản được gọi là hiệu ứng áp điện. Đối với các chuyên gia mua sắm và kỹ sư thiết kế điện tử, việc hiểu lý do tại sao tụ gốm rung động về mặt âm thanh sẽ giúp ngăn chặn các khiếu nại tại hiện trường, giảm nhiễu âm thanh và đảm bảo độ tin cậy của mạch mạnh mẽ.

Vật lý đằng sau tụ điện "hát"

Hiệu ứng áp điện mô tả mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện áp trong vật liệu tinh thể. Mặc dù thường được kết hợp nhất với tinh thể thạch anh hoặc cảm biến, nhưng nó cũng là một đặc tính cố hữu của vật liệu điện môi gốm Loại II (như X5R và X7R) được sử dụng trong MLCC điện dung cao.

• Hiệu ứng áp điện nghịch đảo:Gốm sứ loại II bao gồm các hợp chất bari titanat sắt điện. Khi một điện áp xoay chiều (AC) hoặc tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) có gợn sóng điện áp được đặt vào tụ điện, điện trường bên trong sẽ dao động nhanh chóng.
• Mở rộng và co lại vật lý:Khi điện áp thay đổi, thân gốm sẽ giãn nở và co lại theo tần số của tín hiệu điện.
• Khớp nối âm thanh với PCB:Khi những rung động cơ học cực nhỏ này truyền qua các đầu hàn kim loại và vào chất nền, bảng mạch in hoạt động giống như một hình nón loa, khuếch đại rung động thành sóng âm thanh có thể nghe được (thường nằm trong phạm vi thính giác của con người từ 20 Hz đến 20 kHz).

Các khu vực mạch chung dễ bị nhiễu áp điện

Mặc dù nhiễu áp điện hiếm khi gây ra hỏng hóc thành phần ngay lập tức nhưng nó có thể làm giảm chất lượng sản phẩm trong các ứng dụng nhạy cảm:

• Bộ điều chỉnh chuyển mạch DC-DC:Các nguồn cung cấp điện hoạt động trong dải tần số âm thanh (hoặc những nguồn có tải quá độ trong dải âm thanh) thường xuyên khiến MLCC của bộ lọc đầu ra rung.
• Bộ khuếch đại âm thanh loại D:Tín hiệuPWM điều khiển đầu ra âm thanh có thể kích thích các tụ gốm ở gần tầng lọc đầu ra, tạo ra tiếng ồn nền không mong muốn hoặc tiếng rên rỉ tần số cao.
• Trình điều khiển đèn nền LCD và LED:Các mạch chuyển đổi điện áp xử lý tín hiệu làm mờ xung thường kích hoạt sự cộng hưởng âm thanh trong các tụ tách rời gần đó.

Giải pháp kỹ thuật để giảm thiểu tiếng ồn âm thanh MLCC

Nếu thiết kế phần cứng của bạn bị nhiễu áp điện hoặc nhiễu âm thanh vi mô do rung động gây ra, các nhóm kỹ thuật và mua sắm có thể thực hiện một số biện pháp đối phó thực tế:

• Nâng cấp lên Điện môi loại I (C0G/NP0):Vật liệu gốm loại I là vật liệu không sắt điện và không thể hiện hiệu ứng áp điện. Bất cứ khi nào các thông số mạch cho phép, việc thay thế tụ điện Loại II bằng các lựa chọn thay thế C0G/NP0 sẽ loại bỏ hoàn toàn nhiễu âm thanh.
• Tăng kích thước hoặc độ dày vỏ linh kiện:Các lớp điện môi dày hơn hoặc kích thước vỏ vật lý lớn hơn làm giảm phản ứng biến dạng cơ học dưới những dao động điện áp giống hệt nhau.
• Sử dụng các kết thúc linh hoạt/mềm:MLCC được trang bị các lớp polyme dẫn điện bằng kim loại-epoxy chuyên dụng bên dưới lớp mạ bên ngoài đóng vai trò là bộ giảm chấn cơ học. Các đầu cuối linh hoạt này hấp thụ các rung động vật lý trước khi chúng có thể kết hợp với chất nền PCB.
• Định tuyến lại dấu vết và di dời tụ điện:Di chuyển các tụ điện tách rời khỏi các nút cộng hưởng trên bo mạch hoặc các khu vực có độ rung cao sẽ giảm thiểu hiệu ứng khuếch đại âm thanh của PCB.
  

  tụ điện mlcc MP0805X104K251TAAA
  

  tụ điện mlcc MP2220X222K502TAAA

  

  tụ điện mlcc MPAAA1210 X5R 226 25V