电路板会“滋滋”的响，我们称它为啸叫
系列文章目录
1.元件基础
2.电路设计
3.PCB设计
4.元件焊接
5.板子调试
6.程序设计
7.算法学习
8.编写exe
9.检测标准
10.项目举例
11.职业规划
文章目录
- 前言
- 一、啸叫的起源
- 1、声音的来源
- 2、为什么老师傅听不到啸叫
- 3、啸叫的原理
- 二、电感啸叫
- 1、啸叫的原因
- ①、轻载导致DCDC降低频率
- ②、过载导致DCDC间歇工作
- ③、节能导致DCDC间歇工作
- ④、负载间歇变化
- ⑤、接地走线失误
- ⑥、ACDC轻载
- 2、啸叫调试思路
- ①、 找到啸叫电感
- ②、查询DCDC手册
- ③ 、检查电路和参数
- ④、改善电感工艺
- 3、电感啸叫实例
- ①、电路分析
- ②、解决方法
- 二、电容啸叫
- 1、啸叫的原因
- 2、为什么会振动
- ①、正压电效应
- ②、逆压电效应
- ③、压电效应的学术定义
- 3、所有MLCC都会啸叫吗？
- ①、顺电解质
- ②、铁电解质
- 4、哪些场合MLCC啸叫明显?
- 5、啸叫的危害
- 6、解决办法
- 7、无噪/低噪声MLCC的设计
- ①、加厚底部保护层
- ②、附加金属支架结构
- ③、使用压电效应弱的介质材料设计制造
- 三、其他
前言
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一、啸叫的起源
大部分硬件工程师应该都遇到过，PCBA上电后出现“滋滋滋”的叫声，其声响或大或小，或时有时无，或深沉或刺耳，或变化无常者皆有。该现象我们称为“啸叫”，一般分为电感啸叫和电容啸叫。
1、声音的来源
物理中声音是由物体振动发生的，正在发声的物体叫做声源。 物体在一秒钟之内振动的次数叫做频率，单位是赫兹，字母Hz. 人的耳朵可以听到20Hz-----20000Hz的声音.最敏感是1000Hz-----3000Hz之间的声音。（DCDC的开关频率一般在50k~3MHz之间）
声音在不同介质中传播速度一般是固体>液体>气体（例外如：软木 500m/s，小于煤油（25℃）、蒸馏水（25℃）等），声的传播速度与介质的种类和介质的温度有关。
声音在耳朵里的传播途径: 外界传来的声音引起鼓膜振动，这种振动经听小骨及其他组织传给听觉神经，听觉神经把信号传给大脑，人就听到了声音。
2、为什么老师傅听不到啸叫
20岁以前随年龄的增长人耳的听觉感受性逐渐提高
60岁以后随年龄的增长感受性逐渐降低
所谓听觉感受性就是耳朵对声音刺激的感觉能力，感受性高就是说听力好
老年人听力丧失有个特点
首先丧失对高频声音的听觉，随年龄增长听觉丧失的范围逐渐向低频方向发展，当发展到中频的范围时就影响到了语言交际了
3、啸叫的原理
周期性电流经过电感线圈产生交变磁场，该电感线圈在交变磁场作用下产生振动而发出声音，这种周期频率如果是人耳听觉范围内，则会产生啸叫。
二、电感啸叫
素材来源
由于负载不稳定、轻载过载或者感值容值不合适等因素，开关电源自我调节，不同芯片有不同处理方式：有的降低频率，有的周期性丢脉冲即表现为间歇工作；导致电感的phase不稳定，输出开关电流的频率落入音频范围，或者周期性方波群的周期频率落入音频范围，形成啸叫。
1、啸叫的原因
①、轻载导致DCDC降低频率
PWM方式特点在于普通工作中效率很高大于80%，但是待机等轻载模式下，由于开关损耗与频率成正比，所以效率会严重降低。为了改善该问题，在轻载情况下使用自动将PWM方式替换为PFM(脉冲调频)方式的DC-DC转换器。
PFM方式是配合负荷减轻，在固定ON时间的情况下，对开关频率进行控制的方式。降低频率可以实现能量转换高效化，但降低后的频率将会进入人耳可听的约20~20kHz的范围，此时功率电感器将会发生啸叫。
②、过载导致DCDC间歇工作
DCDC内部限流保护电路，当检测到负载电流过大，会立即调整DAC内部开关占空比，或者停止开关工作，直到检测到负载电流在标准范围内，再重新启动开关工作；如果这个从停止到启动的周期正好是K级频率，容易产生啸叫被人耳听到。
③、节能导致DCDC间歇工作
出于节能等目的，移动设备液晶显示器背光自动调光功能等引进了DC-DC转换器间歇工作。调光方式有多种，其中PWM方式优点是色度变化小。
PWM调光通过200Hz左右的较低频率使DC-DC转换器进行间歇工作，由于其处于人耳可听频率中，因此当基板上贴装的功率电感器中流过间歇工作的电流时，电感器主体将会因频率影响而发生振动，从而导致出现啸叫。
④、负载间歇变化
出于节能目的，移动设备中运用有各类省电技术，为此可能会导致电感器发生啸叫。
例如，出于兼顾低耗电量以及处理能力的目的，笔记本电脑CPU中带有周期性变更消耗电流模式，当该周期处于人耳可听频率范围时功率电感器可能会因该影响而产生啸叫。
⑤、接地走线失误
通常产品表现为会有部分能正常工作，但有部分产品却无法带载并有可能无法起振的故障，特别是应用某些低功耗IC时，更有可能无法正常工作。
⑥、ACDC轻载
下图是开关电源中的一个重要芯片讲解。
2、啸叫调试思路
①、 找到啸叫电感
通过观察，排除等方法，找到具体啸叫的电感和对应电路模块；
②、查询DCDC手册
重点查看DCDC功率与负载是否匹配；
DCDC是否具有节能模式，节能模式一般分为DCM（Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式和CCM（Continuous Conduction Mode)连续导通模式。
如果有需要将IC的模式设置为PWM only，然后去看电感phase端的波形。
③ 、检查电路和参数
计算感值和容值参数是否合适，电路是否与模式匹配；
提高输入开关电流的频率；频率提高，电感和电容的参数可适当降低；
当输入输出差值较大，周期性丢弃脉冲的芯片来说，可以降低频率；
反馈电阻并联电容，调整零点极点；
确定电感的饱和电流和热电流足够应付负载功率，超过的话电感值会下降；
降低负载电流或者更换大功率电源；
稳定占空比，确保控制环路小信号不被干扰，占空比在正常范围；
④、改善电感工艺
选择带屏蔽，浸漆功率电感。
浸漆不良，包括未含浸凡立水（Varnish）。啸叫并引起波形有尖刺，但一般带载能力正常，特别说明：输出功率越大者啸叫越甚之，小功率者则表现不一定明显。
3、电感啸叫实例
①、电路分析
我们现在就来分析下此电路关键器件对性能参数的影响，限流电阻R=R110//R111//R112//R113//R114。
该电阻的作用是检测输出电流，当输出电流超过阀值时，将关闭输出电流。根据负载瞬态大电流的要求来调整限流电阻的取值，使大输出电流不小于瞬态大电流。
R115，R116调整输出电压Vo=1.25*（1+R116/R115）。
C112为内部震荡电路的频率调整电容，电容变小，则频率升高，一般情况，输出方波频率等于该震荡频率。频率越高输出纹波越小。
L110电感量越大，则输出纹波越小，纹波的大小还会影响到输出电压调整的灵敏度，纹波越小，灵敏度越高，输出电压越稳定。但是芯片的SE脚将出现杂乱的窄脉冲开关电流波形，L110电感容易啸叫。纹波越大，输出灵敏度越低，输出电压稳定度降低，SE脚出现开关电流频率较稳定，L110电感不会啸叫。
C115的ESR越小，则允许流经电容的纹波电流越大，保证电容使用寿命的同时，纹波电压也越小。同样电容的容量越大，纹波电压也越小。
R117为反馈电阻，把输出方波叠加在锯齿波上，可以降低电压调整灵敏度，稳定输出方波电流，避免电感啸叫。
稳压电源电路输出的开关电流的频率接近或落入音频范围，或周期性方波群的周期频率接近或落入音频范围。周期性电流经过电感线圈，产生交变磁场，该电感线圈在交变磁场作用下产生振动而发出声音。
34063的输出稳压是以PWM方式实现的，芯片的大占空比的限制以及输出电压，决定了低输入电压，而芯片的耐压决定了高输入电压，在电压调整灵敏度适当的情况下，输入电压变高，则输出方波脉宽变窄，即占空比变小，当输入电压高到某个数值时，占空比无法再小，为了继续稳压，不同的芯片有不同的处理方式，有的降低频率，有的则周期性的丢弃一些脉冲。
周期性丢弃的脉冲群如果周期频率接近或落入音频范围，就会发生电感啸叫的情况，而如果降频处理后的开关电流的频率接近或落入音频范围，也会引起电感的啸叫。
②、解决方法
提高输出开关电流的频率。
当“输入输出比”较大时，对于会周期性丢弃脉冲的芯片来讲，可调整如上图所示C112，降低频率，来获取更大的占空比调整范围，避免出现周期性的方波群落入音频的范围，从而避免电感的啸叫。
调整R117反馈电阻，即改变电压调整灵敏度，避免开关电流频率出现接近或落入音频周期范围内的周期性方波群。从而避免电感的啸叫。
添加C111电容，降低电压调整灵敏度，避免开关电流频率出现接近或落入音频周期范围内的周期性方波群。从而避免电感的啸叫。
在纹波允许范围内，适当加大纹波幅度，必要的话多加一级滤波。
L110 电感改善工艺，减小振动啸叫，如要求供应商增加浸漆工序等。
二、电容啸叫
素材来源
1、啸叫的原因
MLCC——多层片式陶瓷电容器，简称贴片电容，会引起噪声啸叫问题……
MLCC发出啸叫声音，即是说，MLCC在电压作用下发生幅度较大的振动（微观的较大，小于1nm）。
2、为什么会振动
我们要先了解一种自然现象——电致伸缩。
在外电场作用下，所有的物质都会产生伸缩形变——电致伸缩
对于某些高介电常数的铁电材料，电致伸缩效应剧烈，称为——压电效应
压电效应包括正压电效应和逆压电效应
①、正压电效应
对具有压电特性的介质材料施加机械压力，介质晶体会发生结构重组排布，材料表面会感应出电荷，产生电位差。
②、逆压电效应
对具有压电特性的介质材料施加电压，则产生机械应力，发生形变。
③、压电效应的学术定义
在没有对称中心的晶体上施加压力、张力和切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端面将出现正、负电荷，这一现象称为正压电效应。
反之在晶体上施加电场而引起极化，则产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。
这两种正、逆压电效应统称为压电效应。
陶瓷介质是MLCC主要组成部分，电压作用下，电致伸缩不可避免。如电致伸缩强烈表现为压电效应，则会产生振动。
3、所有MLCC都会啸叫吗？
MLCC设计制造陶瓷介质材料主要有顺电解质和铁电解质两大类。
①、顺电解质
又称I类介质，主要有SrZrO3、MgTiO3等。
顺电介质电致伸缩形变很小，在工作电压下，不足以产生噪声。
所以，顺电介质(I类介质)材料做的MLCC，如NPO（COG）等温度稳定性产品，就不会产生噪声啸叫。
②、铁电解质
又称II类介质，主要BaTiO3、BaSrTiO3等。
铁电介质具有强烈的电致伸缩特性—压电效应
因此，铁电介质（II类介质）做的MLCC，如X7R/X5R特性产品，在较大的交流电场强度作用下会产生明显的噪声啸叫。
如上所示，X7R-MLCC两端加上大幅度变化电压后，BaTiO3陶瓷产生逆压电效应，MLCC形变振动并传递到PCB板上发生共振。
当电压信号的频率在20Hz~20kHz人耳听觉范围内，则能听到电容在啸叫。
4、哪些场合MLCC啸叫明显?
较大的交变电压，频率在20Hz到20kHz之间，使用X7R/X5R类中高容量MLCC，会产生明显的啸叫，如开关电源、高频电源等场合。
5、啸叫的危害
许多移动电子设备靠近人耳，如：笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，如电子电路中有可听噪声会影响使用感受。
剧烈的啸叫除了令人生厌外，还可能存在着可靠性设计不足的隐患。
剧烈的啸叫源于剧烈的振动，振动幅度由压电效应程度决定。
压电效应与电场强度成正比，外加电压不变，介质越薄，压电效应越强，啸叫声音越大。
额定电压由MLCC的材质和介质厚度决定的，剧烈的啸叫表示对当前工作电压所选用的MLCC介质厚度过薄，应当考虑选用介质更厚，额定电压更高的MLCC。
对铁电陶瓷，在交变电场作用下，还存在铁电畴交替转向内摩擦方面的问题，交变场强大，内摩擦严重，失效机率上升。这可在啸叫声音的大小上反映出来的。
6、解决办法
降低MLCC电容器产生的可听噪声的方法有很多，所有解决方案都会增加成本。
1、改变电容器类型是直接的方法，用顺电陶瓷电容、钽电容和薄膜电容等不具有压电效应的电容器替代。但需要考虑体积空间、可靠性和成本等问题。
2、调整电路，将加在MLCC大的交变电压消除或者将其频率移出人耳听感频段 (人耳敏感音频为1KHz~3KHz)。
3、注意PCB布局、PCB板规格，帮助降低啸叫水平。
4、选用无噪声或低噪声的MLCC
7、无噪/低噪声MLCC的设计
目前针对MLCC的啸叫现象，设计解决措施有三种。
①、加厚底部保护层
由于保护层厚度部分是没有内电极的，这部分的BaTiO3陶瓷不会发生形变，当两端的焊锡高度不超过底保护层厚度，这时产生的形变对PCB影响要小，有效地降低噪声。
②、附加金属支架结构
结构图如下，它采用金属支架把MLCC芯片架空。
MLCC与PCB板隔空，把逆压电效应产生形变通过金属支架弹性缓冲，减少对PCB板的作用，有效的降低噪声。
③、使用压电效应弱的介质材料设计制造
通过对钛酸钡（BaTiO3）进一步掺杂牺牲一定的介电常数和温度特性，得到压电效应大大减弱的介质材料，用其制造的MLCC可有效的降低噪声。
各大MLCC厂家，都有相应低噪材质的MLCC产品系列。
三、其他
这个启动电容在正常工作下，会有电流的滋滋声。
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