作者|Peter
「終於找到了，就是它！」我循聲望去，一旁帶著聽診器的小Y正像給病人看病的醫生一樣用聽筒點著一塊電路板。
「天吶！」我湊近一看，小Y的聽筒正點在一顆陶瓷電容上。看著一臉迷惑的我，小Y把聽診器遞給我，我帶上後，居然聽到了嗡嗡嗡的聲音。「想不到吧，電容也會發出聲音。」
似乎察覺到了我的不可思議，小Y耐心的給我講解起來，「其實這種電容發聲的現象業內都稱之為電容嘯叫或者板震……」
Q:什麼電容才會發出聲音呢？
A:不是所有類型的電容都會發出聲音，我們遇到會發聲的電容基本上都是片式疊層(多層)陶瓷電容器（Multi-layer Ceramic Capacitors簡稱MLCC）。這種電容是由印好電極的陶瓷介質膜片以錯位的方式疊合起來，經過一次性高溫燒結形成陶瓷晶片，再在晶片的兩端封上金屬層，MLCC電容的端子電極(金屬層)是由銅（Cu）底層、鎳（Ni）鍍層、錫（Sn）鍍層構成的。銅底層使多層累積的內部電極得到電氣連接，其次鍍上鎳鍍層以提高「焊料潤溼性」，具體結構如下：
從疊層陶瓷電容的結構上來看，由於陶瓷介質自身特性可變，通過調整介電常數、微粒結構、陶瓷層的精細程度等可以製造出高精度、高品質的電容。多層壓片工藝也使相同規格的電容體積大幅度的下降，隨著移動便攜產品的普及和便攜性，原來的鉭電容和鋁電解電容逐步被體積更小的陶瓷電容器所取代。
但是隨著電子設備的多功能化和靜音化的發展，在筆記本電腦、行動電話（智慧型手機）、數位相機、薄型電視等電源電路中，以往不起眼的陶瓷電容器發出聲音的問題引起了人們越來越多的重視。
「可是，為什麼電容會嘯叫呢？」我不禁問道。「別急，想弄懂電容嘯叫，還得從一個自然現象講起。」小Y翻開了他的筆記本……
Q:陶瓷電容為什麼會嘯叫呢？
A:為了更好的理解電容嘯叫的本質，我們要先了解一種自然現象——壓電效應。壓電效應的學術定義是：在沒有對稱中心的晶體上施加壓力、張力和切向力時，則發生與應力成比例的介質極化，同時在晶體兩端面將出現正、負電荷，這一現象稱為正壓電效應。反之在晶體上施加電場而引起極化，則產生與電場強度成比例的變形或機械應力，這一現象稱為逆壓電效應。這兩種正、逆壓電效應統稱為壓電效應。顯然，我們討論的電容嘯叫屬於逆壓電效應的範疇。更通俗的來講，就是在外電場的作用下，陶瓷介質本身會發生伸縮形變，因此也稱為電致伸縮。
但不同介質的電致伸縮特性也有差異。疊層陶瓷電容的介質材料主要有順電介質和鐵電介質兩大類。
順電介質又稱I類介質，主要有SrZrO3、MgTiO3等。順電介質電致伸縮產生的形變很小，在工作電壓下，不足以產生噪聲。所以，順電介質材料做的MLCC，如NPO電容器，其工作時不會產生明顯嘯叫。但是此類介質難以製作大容值的電容。
鐵電介質又稱II類介質，主要BaTiO3、BaSrTiO3等。鐵電介質的電致伸縮特性強烈。因此，鐵電介質（II類介質）做的MLCC，如X7R/X5R等產品，在較大的交流電場強度作用下會產生明顯的嘯叫噪聲。
如上圖所示，因為陶瓷的強介電性會引起壓電效應，疊層陶瓷電容在施加交流電之後，會在疊層方向（Z軸）和電路板平行的方向（X與Y軸）發生伸縮形變。由於陶瓷電容焊接在電路板上，電容的形變會拉動電路板，從而導致電路板表面震動。如果震動頻率落在人耳可聽範圍內，就聽到了電容嘯叫現象。
「現在明白了嗎？」小Y合上筆記本問我。「呃。」我支支吾吾的也不知道回答懂還是不懂。「沒關係，我再給你舉幾個經常發生電容嘯叫的場景……」
Q:哪些場合電容嘯叫明顯呢?
A:一般來講，對於X7R/X5R這類高容量的MLCC，當電容上的電壓紋波很大，並且紋波頻率在20Hz~20kHz人耳聽覺範圍內時，可能會產生明顯的嘯叫。
2G射頻PA的GSM信號是脈衝發射的，每秒發射217次，雖然每次發射時間只有幾毫秒，但是發射期間的脈衝電流卻可達2A以上。如下圖所示，當手機射頻PA發送GSM信號時，會從電源端抽取大量的電流，作為旁路電容的MLCC上的電壓也會因此被拉低，此時不僅僅是PA自身輸入埠的旁路電容，整個星型網絡中的MLCC電壓都會拉低，形成217Hz的周期性紋波，當紋波大到一定程度時，就容易產生電容嘯叫。
開關電源在輕載模式時一般會進入節能模式。在節能模式下，系統處於半開環模式，晶片監控反饋電壓但是不採取實時響應，只有當輸出電壓低於閾值時，才會發送幾個PWM脈衝，讓開關管進行動作以保證輸出電壓不至於落到閾值以下。下圖是輕載模式時的開關管波形，可以看到開關管並不是連續開關動作，而是間歇性的工作。
因此節能模式下的開關頻率會比正常工作時的開關頻率低很多，這樣輸出電容上的電壓紋波頻率就會落入人耳可聽頻率範圍內。下圖是輕載模式時，輸出電容兩端的電壓波形，可以看到輸出電容上存在較大電壓紋波。
Q:電容嘯叫有什麼影響呢？
A:由於電容嘯叫的存在，當移動電子設備靠近人耳時，電子產品（筆記本電腦、平板電腦、智慧型手機等）產生的可聽噪聲會影響使用者的感受，劇烈的嘯叫會讓人覺得煩躁。
對於鐵電陶瓷電容，在交變電場下，鐵電疇會隨著電場方向的變化而交替轉向，導致鐵電疇內部發生摩擦，增加電容的失效機率。
另外，電容嘯叫的出現也說明電容上電壓紋波過大，嚴重的的電壓紋波會影響晶片的正常工作電壓，導致晶片工作狀態異常。
「那電容嘯叫能解嗎？」「當然可以，」小Y笑著說，「解法很多，但要學會選擇……」
Q:怎麼解決電容嘯叫？
A:其實如果晶片設計時就考慮到可能存在電容嘯叫的問題，加入一些設計優化，這對電容嘯叫的解決是大有益處的。這裡就不得不提到艾為的呼吸燈產品AW21036，如下圖所示，在其採用的PWM調光技術中加入了艾為自主研製的 「相位延遲」和「相位翻轉」技術，通過「化整為零」和「正負抵消」的方法，很大程度上減小了由開關動作產生的電容開關紋波，從而減小電容嘯叫。此外，其採用的「擴頻技術」可以將工作頻率提高到人耳可聽頻率範圍以外，同樣可以做到很好的電容嘯叫抑制。
如果晶片設計在這方面沒有考慮，就要從電容選型和電路板布局方面進行優化了。
電容選型方面要儘量選擇無噪聲或低噪聲的MLCC電容，或者用順電陶瓷電容、鉭電容、鋁電解電容和薄膜電容等不具有壓電效應的電容器替代MLCC電容。但這樣做的弊端在於捨棄了MLCC輕薄的優勢，因此在實際應用中需要考慮體積空間、可靠性和成本等問題。
電路板布局方面可以採用加厚電容底部保護層的方式，如下圖所示，由於保護層部分是沒有內電極的，這部分的BaTiO3陶瓷不會發生形變。當兩端的焊錫高度不超過底保護層厚度，這時電容電致伸縮產生的形變對PCB影響要小，因此可以有效改善電容嘯叫。
利用開槽來降低PCB板的震動也是抑制電容嘯叫的一種辦法，開槽示意圖如下圖所示。這樣電容在電致伸縮時所帶動的PCB部分被限制在兩個槽之間，減小震動區域，從而減小電容嘯叫的程度。
如果條件允許的話，還可以在MLCC兩端附加金屬支架結構。通過金屬支架把MLCC晶片架空，讓MLCC與PCB板隔空，把電致伸縮產生的形變通過金屬支架彈性緩衝，減小對PCB板的拉動影響，可以有效降低噪聲。
◆◆結語◆◆
本質上來說，電容嘯叫是由於疊層電容的壓電效應導致的，在不同的應用場景和需求中，電容嘯叫產生的影響也不盡相同。對於電子領域的工程師們來說，如何更好地減小電容嘯叫帶來的影響，需要在成本和實際效果中權衡，選擇最佳的解決方案。