虽然市场上有专门的“低声噪声MLCC”解决方案，但在采用这种昂贵的补救方法之前，还有其他有效的方法来解决智能手机MLCC驱动的高频噪声问题吗？

本文将介绍：

随着跨所有平台的系统速度继续升级，预计5G智能手机的总电容量将比4G的多30%以上——这与整个行业的其他应用正在发生的增长类似。因此，多层陶瓷电容器（MLCCs）也越来越受欢迎。

随着MLCC使用的增加，MLCC的噪声问题越来越突出。特别是对于笔记本电脑和手机等消费设备，通常用在安静的环境中，这些产品的MLCC噪声给人产品质量差的印象，因此很多终端用户无法接受。本文将提出实际的设计策略来规避这种影响，并介绍一些商业上可用的声学MLCC解决方案。

是什么导致了MLCC的噪声？

在我们深入研究解决方案之前，让我们来看看这个问题的根源：MLCC噪声效应仅在II类MLCC（通常为X5R、X6S或X7*额定值）中观察到，其中电介质材料通常由钛酸钡制成。

虽然钛酸钡具有高介电常数（k）的特征，使小电容和高电容的MLCC成为可能，但不幸的是，它也具有压电效应。（当钛酸钡低于125°C的温度时，该材料的晶体结构变成正方的；偏心钛离子的自发极化导致钛酸钡的压电效应。）

因此，当正弦信号通过这种类型的MLCC时，压电效应使MLCC开始振动。这种振动随后通过MLCC两端的焊料圆角转移到PCB上。如果振动的强度足够强，并且碰巧在人类20Hz到20kHz的听觉频率范围内，就可以听到嗡嗡作响的“噪声”（图1）。

1.在PCB的电源线中使用的MLCC会导致振动，当PCB的振动在人类听力范围的20Hz到20kHz频率范围内时，可能会听到“噪声”。

通过对MLCC声噪声产生机制的理解，我们现在可以检查这个问题中的三个关键部分：MLCC、PCB和锡焊。

产生噪声的三种源头

MLCC

电容级的噪声产生是由MLCC的结构和组成决定的。如果我们比较两个不同的MLCC部件相同的外壳尺寸，电容较低的那一个会产生更多的噪音（如图2）。产生这种现象的原因是，电容越大电压纹波越小（dV/dt），而在压电效应下， dV/dt越小，物理位移越小，振动强度越小。

2.当MLCC的电容在相同的情况尺寸内增加时，电压纹波下降，降低噪声水平。

因此，减少噪声的一种潜在方法是在相同的外壳尺寸内选择一个更高电容的MLCC。同样，由于直流偏置的增加而导致的电容降低也增加了dV/dt。因此，对于相同的MLCC，在较小的直流偏置下工作或选择直流偏置效应较小的部件是降噪的首选。BaTiO3的介电常数(k)也是影响噪声产生的另一个因素。一般情况下，k与压电效应的强度成正比，所以k较高的MLCC比k较低的MLCC更容易产生噪声效应。然而，MLCC供应商通常不会披露特定MLCC基材的介电常数。因此，作为一个经验法则，较大的外壳尺寸MLCC部件（例如3216或3225）通常比相同电容但较小外壳尺寸的部件具有更低的介电常数。

PCB

印刷电路板（PCB）在噪声的产生中也起着同样重要的作用。研究发现，最有效的降噪PCB布局配置是在PCB两侧的相同位置安装相同类型的MLCC（图3）。这是因为来自两侧的振动模式基本上相互抵消，从而减少了PCB的整体振动。

3.在PCB两侧安装在同一位置的MLCCs可降低噪声。

虽然上述建议都是减少MLCC噪声效应的有效方法，但有时它们可能不那么有用，因为某些设计限制会限制电容值或尺寸的选择。此外，在许多设计中并不总是有可能实现双面的表面组装技术。幸运的是，有更有效和实用的方法来帮助。

锡焊

如果我们用激光多普勒振动计扫描电容受到正弦信号时的MLCC的变形形状，振动幅值在MLCC终端的中间平面最大， 振动能量随后通过MLCC两端的锡焊传递到PCB上。因此，如果我们能够将MLCC安装在与PCB平面平行的介质层上，即“水平安装”，并同时应用少量焊料（再次如图4所示），我们基本上消除了振动能量传递的路径。

4.振动振幅在MLCC终止的中间平面上最大，与介质层水平。

水平安装的MLCC是首选，因为它具有小的焊料填充设计，可以避免大多数振动能量被转移到PCB上。然而，在垂直安装的MLCC中，没有办法逃脱振动位移最大的振动面。这是因为这个平面总是垂直于焊料角，不管焊料有多小。因此，在降低噪音方面，最好采用水平安装的MLCC。 虽然水平安装的MLCC通常提供较低的噪声，但有趣的是，当有大量的焊料时，情况并非如此（图5）。当焊料的高度高于终端的中间点时，垂直安装的MLCC实际上提供了较低的噪声效应。这是因为当焊料高于终端的中间点时，如果MLCC水平安装，大多数振动位移能量可能会转移到PCB上。而在垂直安装中，一个相对较小的部分能量被转移。

5.降噪效果最好的配置是一个水平安装的MLCC与一个小的焊料角。

在这一点上，我们已经了解到，减少声噪声的最有效的方法是通过水平安装MLCC，同时应用最少数量的焊料。目前，水平安装的MLCC可以通过MLCC供应商获得，通过在磁带和卷轴之前使用特殊的排序过程，以确保所有MLCC在表面组装期间具有与PCB平行的介电层。（在磁带和卷轴过程中，通用MLCC的方向没有控制；此外，无法区分磁带和卷轴后MLCC的方向，因为终端具有正方形。）另一方面，由于表面组装技术能力限制和潜在的可靠性问题，应用较小的焊料角是一个更具挑战性的实践。

专业的选择

如果上述所有设计技巧都未能产生可接受的结果，或者如果设计限制阻止工程师使用任何策略怎么办？在了解了降噪的起源和技巧后，我们现在可以引入一种专门的“低噪声MLCC”来帮助解决这个问题。

所有低噪声MLCC的基本设计理念是为了最大限度地减少通过焊料圆角传递到PCB的振动能。由于最高的振动位移发生在MLCC体的中间平面，低声MLCC部件只是在“传统”MLCC体下面增加一个额外的物理结构——介电和金属层，从而最小化通过焊料角的能量转移（图6）。

6. 有两种不同类型的低噪声MLCC。第一种类型有一个较厚的介电底层（例如，三星THMC系列），而第二种类型在下面有一个单独的物理结构（例如，三星ANSC-A或ANSC-B系列）。ANSC-A系列的分离结构是一个氧化铝基底，而ANSC-B系列的分离结构是连接在每个终端上的一块金属板。

由于添加的物理结构的结构不同，低噪声MLCC通常可以分为两种类型。第一种类型是增强典型电容器体底部（例如三星的THMC系列）的介电层，而另一种类型是将由不同材料制成的单独物理结构，如氧化铝衬板（例如三星的ANSC-A系列）或金属板（例如三星的ANSC-B系列）连接到标准MLCC上（图7）。

7. ANSC型MLCC的降噪性能优于THMC型MLCC。

这两种设计都显著降低了噪声效应，但第二种类型的性能远远优于第一种类型。原因是在第二种类型中发现的独立结构可以提供更强的振动能转移的隔离。然而，第二种类型的缺点是，增加的结构厚度将导致MLCC比第一种类型有更多的高度（假设MLCC电气规格相同），因此可能是具有高度限制的应用程序的问题。在现实中，在系统设计过程中处理MLCC噪声最具挑战性的部分是，不能很简单地用软件模拟这种效果。这是因为振动模式通常涉及许多相互作用的变量，如PCB布局、物理系统结构，甚至是实际电信号的频率或强度。

因此，在大多数情况下，MLCC的噪声问题直到产品验证或认证阶段才被发现，在这一点上，通常有很少的时间或灵活性来进行实质性的设计更改。如果设计师熟悉所有的降噪技巧，那么在出现噪音问题时就有更多的选择，这将非常有帮助。

采用低噪声MLCC之前，帮助解决噪声问题的一些有效方法包括将MLCC更改为更高的电容部分，减少应用直流偏置，使用水平安装的MLCC，或者，如果可能，在另一边安装等效的MLCC。

在必须使用低噪声MLCC的情况下，市场上对不同场景具有不同特性的多种选择。对MLCC噪声效应的完全理解将有助于设计师更经济有效地缓解这一严重问题。

信息源于：electronicdesign