笔记本电脑中的电源线MLCC啸叫对策

以往,电子设备上多使用钽电容器和铝电解电容器,但是近年来由于产品小型化和可靠性问题,已经开始替换为陶瓷电容器。

随着电子设备的多功能化和静音化的发展,笔记本电脑和移动电话(智能手机)、数码相机、薄型电视等电源电路中,以往不起眼的陶瓷电容器产生的『啸叫(声音)』成为一大设计难题。

笔记本电脑中,电源线上使用的电容器产生的『啸叫(声音)』成为难题。

当更改为睡眠状态/摄像头启动等工作模式时,笔记本电脑的内部工作将发生变化,因此『啸叫(声音)』的大小根据工作模式而变化,听的方式也不同。

在此介绍电容器啸叫产生的原理以及笔记本电脑电源线『啸叫(声音)』的评估和对策方法。

笔记本电脑

笔记本电脑中易于发生『啸叫(声音)』的工作模式

  • 睡眠模式
  • 液晶背光的PWM调光
  • 摄像头启动
  • 视频播放

啸叫的产生原理

为什么陶瓷电容器会产生『啸叫(声音)』?

啸叫的产生原理

下面将对『啸叫的产生原理』和本公司进行的『啸叫的评估方法』进行讲解。

啸叫的评估方法

啸叫的评估方法

1) 声压级测量

通过测量「声压级」,量化(数值化)啸叫。

声压级测量

电波暗箱中使测量物体处在工作状态,通过话筒,用声级计测量声压级。

此外,为了评估和对策,用FFT分析仪确认声压级的频率特性。

电波暗箱

2) 基板的位移量测量

通过测量基本的位移量,可确认电容器使基板振荡。

基板的位移量测量

在使测量物体工作的状态下,激光照射在基板上,检测出反射光的多普勒频谱仪测量基板的位移量。

激光光源

3) 电压变动测量

通过测量电容器端的「电压变动」,可调查对象电容器是否是产生啸叫的原因。

电压变动测量

在使测量物体工作的状态下,来确认可听领域频率(20Hz-20kHz)的纹波电压是否施加到电容器上。

示波器

4) 关于声压级和基板的位移量关系

电容器是产生啸叫的原因时,基板的位移量和声压级一样频率变高。
(红色点线框内)

关于声压级和基板的位移量关系

5) 关于声压级和电压变动关系

电容器端的电压变动频谱,和声压级频谱一样,频率变大时(红色点线框内),可判断该电容器是啸叫产生原因。

关于声压级和电压变动关系

笔记本电脑的评估

1) 操作模式不同,声压级也不同

当更改睡眠状态/摄像头启动等工作模式时,笔记本电脑的内部工作将发生变化,所以声压级/基板的位移量/电压变动也发生变化。

需要再易于产生啸叫的工作模式进行评估。

睡眠状态摄像头启动

2) 笔记本电脑上容易成为『啸叫』原因的电容器是

2-1)笔记本电脑的电源线模式图
笔记本电脑中的电源线(DC-DC converter的一次侧)多使用电容器。若在该电源线上使用陶瓷电容器时,有时会产生啸叫。

笔记本电脑的电源线模式图

2-2)电源线的电容器容易产生『啸叫』的原因

  • 使用大静电容量的电容器

⇒ 高介电常数的介电体受电场的膨胀收缩变大。

  • 给CPU,摄像头,RF模块等各电路供电。 

⇒ 很容易引起电压变动。

  • 电源线的电压高达10-20V。 

⇒ 容易产生与电场成正比的逆压电应变。

3) 笔记本电脑的电源线框图

笔记本电脑的电源线框图

笔记本电脑的啸叫对策替换事例

电源线上『啸叫』成为问题时
电源线的电容器(12V电源线)

1) 电容器的搭载位置

电源线的电容器1206 inch尺寸/10uF产品共计21个。分别贴装在CPU等5种电路(电路A~E)。

电容器的搭载位置

2) 笔记本电脑的电源线框图

以粉色框的电源线的电容器为对象,实施了啸叫评估、对策。

笔记本电脑的电源线框图

3) 替换评估结果

以下所示的数据是由本公司实施评估所得的参考值。基板形状、元件的贴装状态等条件不同,声压级降低效果也有所差异。并不保证所有外壳都能获得效果。

工作模式不同声压级也不同,对声压级高的摄像头启动、睡眠状态、视频播放(液晶画面亮度max)、待机画面4种类型的工作模式进行啸叫评估、对策。

※所有评估均在FULL充电后、连接AC适配器的状态下进行。

替换评估结果

将电源线的电容器全部替换为啸叫对策元件「KRM」,如下所示可降低声压级。

可降低声压级

接下来展示各操作模式的结果详情。

<替换结果详情 (1/4) > 摄像头启动

摄像头启动

<替换结果详情 (2/4) > 视频播放

视频播放

<替换结果详情 (3/4) > 睡眠状态

睡眠状态

<替换结果详情 (4/4) > 待机画面

待机画面

每个电路替换为啸叫对策元件(KRM)时的声压级变化 (1/2)

电源线的电容器(粉红框内所示的位置)通过DC-DC converter分散到各电路前,因为在相同电源线上,所以具有相同的电压变动。

将每个电路上的该电源线的电容器替换为啸叫对策元件进行评估。

电压变动频谱

每个电路替换为啸叫对策元件(KRM)时的声压级的变化 (2/2)

上图所示的电源线的电容器按照电路[A-E]的顺序,将普通电容器(GRM)替换为啸叫对策元件(KRM)。
由于替换为KRM数量的增加,声压级逐渐降低。

将电源线的电容器全部替换为啸叫对策元件「KRM」,可降低以下声压级。

声压级

总结

1)『啸叫』的发生原理

一旦交流电场被施加在高介电常数材料的电容器上,电容器变形振动,使基板振荡,该振荡周期成为可听领域的频带(20Hz~20kHz)时,电容器产生的啸叫就成为“刺耳的声音”。

2) 啸叫的评估方法

进行声压级的测量和『啸叫』的定量化。
进行电压变动/基板的位移量的测量、评估。调查啸叫产生原因。
替换为啸叫对策产品。进行声压级的测量、评估,确认效果。

3) 笔记本电脑中易产生『啸叫』的电容器和工作模式

笔记本电脑中的电源线(DC-DC converter的一次侧)使用电容器。
该电池线通常电压很高,此外向消耗电力大的电路供电,所以很容易引起电压变动,对于电容器来说,很容易形成引起啸叫的工作条件。
此外,易产生『啸叫』的工作模式有睡眠模式/摄像头启动/液晶背光的PWM调光/视频播放。

4) 笔记本电脑的替换评估

改变工作模式,笔记本的电脑内部的工作也会发生改变,需要对易产生啸叫的工作模式分别进行评估。
电源线(DC-DC converter的一次侧)上使用多个陶瓷电容器时,电源线的一部分电容器不是啸叫对策,通过全部电容器的啸叫对策,可进一步降低声压级。

啸叫对策元件的介绍

<对『啸叫』产生影响的原因以及对策>

村田根据由于陶瓷电容器影响造成啸叫问题时,对啸叫产生影响的原因,提出使用啸叫对策元件和元件安装等方案,对应啸叫问题改善。

啸叫对策元件的介绍

难以将振动传播到基板,控制圆角。
<KRM系列>

KRM系列

使用端子板等将陶瓷电容器从电路板上浮起来安装,带有金属端子的型号可以抑制振动传递到电路板上。

KRM系列阵容请查看此处。 >

<ZRA/ZRB系列>

ZRA

通过将陶瓷电容器贴装在插入板上,抑制电容器振荡传播的类型。

ZRA系列阵容请查看此处。 >
ZRB系列阵容请查看此处。 >

使用不易产生啸叫的材料。
<GJ4/GJ8系列>

GJ4,GJ8系列

使用比传统的陶瓷材料低介电常数的材料,降低电容器的失真量的类型。
GJ4系列阵容请查看此处。>
GJ8系列阵容请查看此处。>

啸叫的产生原理(补充)

多层陶瓷电容器上使用的铁电体必须有压电性。
存在电场时,发生失真,由于芯片膨胀、收缩,产生『啸叫(声音)』

啸叫的产生原理

 

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