由陶瓷电容啸叫引发的问题探究

cloudy19880824

' W2 K* `# C% \% _- h- z各位好，
近期在做一个模数转换的板子，采样率比较慢，大概3KHz左右，板子做回来，信噪比啥的都没有问题，指标甚至略高于预期，就是板子上总有轻微的啸叫声，经排查，确定是几个陶瓷电容在叫，于是测量了这些陶瓷电容两端的纹波，发现问题复杂到本人无法解释和解决，恳请各位指点：
3 ]% x% Q0 V: s首先介绍一下系统的供电，输入9~24V电压 ，经DC-DC转换成5.5V电压，再经过LDO转换成5V电压给AD供电，AD工作频率3KHz（双沿工作），在AD不采数的时候，板子很安静，采数一开始，板子就开始唱歌。下图是5V供电电路及纹波情况，其中，黄色为交流耦合的波形，20mV/div，蓝色为AD的工作时钟，为了说明纹波和AD的工作频率是相关的。而啸叫的电容就是5V的几个滤波电容；
而后还发现了一个更难理解的问题，就是9~24V转5.5V的DCDC电源电路中，5.5V的输出端纹波是很小的，但是输入端（我用的12V）纹波却很大，导致12V的滤波电容也会啸叫，如下图，请问各位，这是怎么回事呢？不太能理解为什么源头的输入端会产生这个纹波，顺便说一下，GND是很干净的，没有测到纹波；
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另外，多问一句，陶瓷电容的啸叫会影响电路板的可靠性吗？毕竟压电效应是一直存在的，即便没有啸叫声也不代表电容就没有震动是吧？解决陶瓷电容啸叫采用还能采用啥方法呢，看过狗版的狗粮，换支架电容或钽电容都意味着成本显著提升，用不起啊。
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chencxchencx

输入端的电源纹波大，请问下楼主用的是什么电源供电的，有没有试过用直流稳压电压试试？如果直流稳压电源有明显改善，那建议你看看上级电源（也就是输入电源）输出端是否加了较大的电感组成滤波电路后输出的，因为电感会抑制电流的瞬态跳变，从而会导致纹波噪声的增大，如果不是，那就只能增大输入电容来解决。电容啸叫问题的话，输出端并个电解电容看看（输出电感需要比计算的值稍大，且留意直流阻抗以及通流大小），再检查下AD芯片供电引脚附近是否有足够大的电容和小电容的组合为芯片提供解耦

cloudy19880824

x1215 发表于 2018-2-4 08:59
/ m* f# p( ^5 A) e8 S9 b* 12V端的電容距離DCDC的pin腳有沒有經過via? 有的話試著放靠近一點不經過via試試看。
* DCDC輸出直接接AD ...

12V端的电容距离PIN很近且没有过孔，因为5V是给模拟电路供电的，原先是怕DCDC纹波较大，才选用了稳态工作纹波较小的LDO，不过您这么一说倒是提醒我了，我试过了把5V的LDO直接拆下来，然后用外置电源给ADC的5V供电，啸叫声还是存在，目前正在找Layout的问题了。
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cloudy19880824

超級狗 发表于 2018-2-2 11:03
振動的幅度和紋波大小成正比；但聲音的大小未必和振動幅度相關，因為還得看陶瓷電容貼近電路板的距離。
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2 Z5 o6 ]  b3 U$ I! S! @ ...

' o+ B) y0 e. k* C" z0 b明白，多谢狗大指导，接下我准备输出接磁珠试一下，然后再定做一批电容点胶的板子。顺便得寸进尺的多问一句，关于DCDC那个电路，输出端纹波不大的情况下，输入电压会有一个和后端工作频率相关的纹波，这个该怎么解释呢？您要是有时间的话就指点一二，万分感谢
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超級狗

毕竟压电效应是一直存在的，即便没有啸叫声也不代表电容就没有震动是吧？

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是的！振動頻率進入人耳感知的音頻範圍才聽得到。
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cloudy19880824

超級狗 发表于 2018-2-2 10:35
是的！振動頻率進入人耳感知的音頻範圍才聽得到。

# [( h: B" [; M) N% A+ w$ R狗版，是不是意味着轻微的啸叫是不影响电路板寿命的呢？我量到的纹波最大研究100mVpp，我想要是不能从电路的原理上来解决就不去解决了，这个产品对成本比较敏感，钽电容也是用不起的。
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超級狗

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2 Y4 ?( `& V4 t" B/ _* m日寇 TDK 的答覆：
# C- S3 m2 V# o6 |, u" pIs there long time reliability affects due to the capacitor singing?
There is currently no conclusive test data that would suggest any reliability risk. A MLCC that does not exhibit any piezo vibration will result in equal or better reliability compared to a MLCC that does exhibit piezo vibration.
: h& x% b2 V- i; z, k3 K

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cloudy19880824

超級狗 发表于 2018-2-2 10:51
2 j' v* i% K9 ?* s日寇 TDK 的答覆：
1 M  U1 U6 n- B1 E5 oIs there long time reliability affects due to the capacitor singing?
0 ?' c  [& {$ M* b4 E% H: S+ gThere is cu ...

) K( Q. [, W, j1 T; `6 g2 S! H非常感谢

超級狗

振動的幅度和紋波大小成正比；但聲音的大小未必和振動幅度相關，因為還得看陶瓷電容貼近電路板的距離。
# y! D% P- L# U6 l. g5 q/ Q' r
若不使用特殊貼片電容，有幾個方法可以試試︰

• 調整電容、電感的大小以降低紋波。
• 輸出端加磁珠（Bead）抑制紋波。
• 電容點膠固定。
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超級狗

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cloudy19880824 发表于 2018-2-2 12:15
明白，多谢狗大指导，接下我准备输出接磁珠试一下，然后再定做一批电容点胶的板子。顺便得寸进尺的多问一 ...

輸入端的紋波有可能是 DC/DC 抽載造成的，可以加大輸入端的電容看看。
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踢哀（TI）有這篇文檔，第三頁有計算最小輸入電容的算式及範例。
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cloudy19880824

超級狗 发表于 2018-2-2 13:19
輸入端的紋波有可能是 DC/DC 抽載造成的，可以加大輸入端的電容看看。

* B# w7 y4 S3 f* r+ T踢哀（TI）有這篇文檔，第三頁 ...

. }4 i/ S( q+ i+ o# d4 J多谢版主！
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clp783

myl593799546

实际见过MPS还是犀利姐的demo板有这种电容
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x1215

* 12V端的電容距離DCDC的pin腳有沒有經過via? 有的話試著放靠近一點不經過via試試看。
5 T7 Q2 h: {3 E" S- M( u! q* DCDC輸出直接接ADC不經過LDO試試看5V會不會有聲音。因為DCDC反應比較快，到達ADC的波紋可能會變小，或是將DCDC的fb直接連到靠近ADC端看看。

cloudy19880824

myl593799546 发表于 2018-2-2 18:12
实际见过MPS还是犀利姐的demo板有这种电容

这种电容确实能解决啸叫的问题，就是太贵了，不适合用在量产的产品上
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x1215

試著先不接LDO的情況下，DCDC的feedback線接靠近ADC一點，應該會改善才是。