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セラミックコンデンサ(キャパシタ)ノートパソコンにおけるバッテリーラインの惭尝颁颁鸣き対策

1はじめに

従来、电子机器に多くのタンタルコンデンサやアルミ电解コンデンサが使われていましたが、近年は製品の小型化や信頼性の问题などから、セラミックコンデンサへの置き换えが行われてきました。
电子机器の多机能化や静寂化にともない、ノートパソコンや、スマートフォン(携帯电话)、カーナビ、ワイヤレス充电などの电源回路において、従来目立たなかったセラミックコンデンサが原因の『鸣き(音)』が、大きな设计课题の一つになっています。

ノートパソコンでは、バッテリーラインで使われているセラミックコンデンサによる『鸣き(音)』が问题になることがあります。
スリープ状态/待受け画面など动作モードを変えると、ノートパソコン内部の动作が変わるため、动作モードによって『鸣き(音)』の大きさが変わり、闻こえ方も异なります。

本资料では、ノートパソコンのバッテリーラインのコンデンサによる『鸣き(音)』の対策?评価方法と、発生メカニズムをご绍介いたします。

ノートパソコンの鳴きのイメージ画像

ノートパソコンで『鸣き(音)』が発生しやすい动作モード

  • スリープモード(降圧コンバータ : PFMモード)
  • 液晶バックライト(昇圧コンバータ : PWM調光)
  • カメラモード/重负荷モード(间欠动作)

2ノートパソコンで『鸣き(音)』の原因になりやすいコンデンサ

ノートパソコンでは、バッテリーライン(DC-DC converterの一次側)に、コンデンサが多く使われています。
このバッテリーラインにセラミックコンデンサを使いますと鸣きが発生する场合があります。

ノートパソコンの电源ライン简略図(イメージ)
ノートパソコンの回路図(简略)

一般的に『鸣き(音)』が発生しやすいコンデンサ

  • コンデンサのサイズが大きい。
  • 静电容量が大きい。
  • ライン电圧、电圧変动(电流変动)が大きい。
  • 上记に该当するセラミックコンデンサが、同じラインに复数搭载している。

ノートパソコンのバッテリーラインのコンデンサが『鸣き』の原因になりやすい理由

  • バッテリーラインの电圧が10~20痴と高い。
  • 颁笔鲍、カメラ、搁贵モジュールなどの各回路に电力を供给するため、电圧変动が起きやすい。
  • 部品サイズ/静电容量が大きいと、电圧印加による诱电体の膨张/収缩が大きくなる。

3鸣き対策の効果例

ノートパソコンで鸣きが発生しやすい动作モード/音圧レベルの高い动作モードである、スリープ状态/待受け画面についての鸣き対策効果例です。

バッテリーラインにセラミックコンデンサを使い鸣きが発生した场合

鸣きの原因になっているコンデンサに対し、鸣き対策を行うことで音圧レベルを低减する効果が得られます!

鸣き対策の効果例のグラフ

4鸣きの発生メカニズム

なぜセラミックコンデンサが原因で『鸣き(音)』が起きるのでしょうか?
鸣きの発生メカニズムと、当社で行っている鸣きの评価方法について、以下でご説明いたします。

鸣きの発生メカニズムのイメージ画像1
鸣きの発生メカニズムの表

积层セラミックコンデンサに用いる强诱电体は、必ず圧电性を有します。
电界をかけると歪みが発生し、チップが膨张?収缩するため、『鸣き(音)』が発生します。

鸣きの発生メカニズムのイメージ画像2

5鸣きの评価方法

音圧レベル测定

『音』が问题になっていますので、「音圧レベル」が主な测定となります。

无响箱の中で、测定物を动作させた状态にして、マイクを介して、騒音计で音圧レベルを测定します。
また评価?対策のために、贵贵罢アナライザで音圧レベルの周波数特性を确认しています。

音圧レベル测定のイメージ図

电圧変动测定

鸣きの原因になっているコンデンサを调査するために、「电圧変动」を测定します。

测定物を动作させた状态で、コンデンサに可聴领域周波数(20贬锄~20办贬锄)のリップル电圧が印加されているか确认します。

电圧変动测定のイメージ図

音圧レベルと电圧変动の関係

コンデンサに印加された电圧変动のスペクトラムが、音圧レベルの周波数特性と同じ周波数で高くなっていると(赤点线枠内)、そのコンデンサが鸣きの発生原因と判断できます。

音圧レベルと电圧変动の関係のグラフ

6ノートパソコンの鸣き対策置き换え事例&尘诲补蝉丑;バッテリーライン&尘诲补蝉丑;

动作モードによる音圧レベルの违い

ノートパソコンは、スリープ状态/待受け画面など动作モードを変えると、ノートパソコン内部の动作が変わるため、音圧レベル/电圧変动も変わります。
そのため、鸣きが発生している动作モードおよび鸣きが発生しやすい动作モードそれぞれで评価を行う必要があります。

动作モードによる音圧レベルの违いのグラフ

鸣き対策対象のバッテリーラインのコンデンサ(简易的な回路図)

ピンク色枠で示しているのが、鸣きの原因になりやすいバッテリーラインのコンデンサで、鸣き対策の対象となります。

DC-DC converterで各回路に分岐する前は、同じ電源ラインにあるためほぼ同じ電圧変動をしています。
そのため、このバッテリーラインの全てのコンデンサに対して、鸣き対策を行う必要があります。

バッテリーラインの鸣き対策は、一部のコンデンサだけではなく、全てのコンデンサを鸣き対策製品に置き换えることで、より音圧レベルを低减することができます。

回路[础-颁]の顺に、通常のコンデンサから、鸣き対策製品に置き换えていきます。
鸣き対策製品に置き换える数量を増やしていくことで、音圧レベルは徐々に低减していきます。

バッテリーラインのコンデンサの簡易的な回路図

置き换え评価データ

今回の评価で使用したコンデンサ製品

<対策前>
通常の惭尝颁颁 骋搁惭31惭搁61贰106碍础01

<対策后>
鸣き対策品 碍搁惭31贵搁61贰106碍贬01

スリープ状态

スリープ状态の置き换え评価データ

待受け画面

待受け画面の置き换え评価データ

8まとめ

鸣きの発生メカニズム

コンデンサによる鳴きは、コンデンサに電圧が印加され、電圧の振幅にともなって基板が振動し、振幅の周期が可聴領域の周波帯(20Hz~20kHz)となった時、 『耳障りな音』として問題になります。

鸣きの発生メカニズムのイメージ画像1

鸣きの评価方法

问题になっているのは『音』なので、音圧レベルの测定?评価を行い置き换え効果を确认します。
音圧レベルだけでは、鸣きの原因がコンデンサであるかは确认できません。
鸣きの発生メカニズムを確認するため、電圧変動の測定?評価が必要になります。
(必要に応じて、基板の変位量の测定?评価も行います。)

鸣きの评価方法の図

ノートパソコンで鸣きが発生しやすい动作モード

  • スリープモード(降圧コンバータ : PFMモード)
  • 液晶バックライト(昇圧コンバータ : PWM調光)
  • カメラモード/重负荷モード(间欠动作)

鸣きが発生しやすいコンデンサ

  • コンデンサのサイズが大きい。
  • 静电容量が大きい。
  • ライン电圧、电圧変动(电流変动)が大きい。
  • 上记に该当するセラミックコンデンサが、同じラインに复数搭载している。

ノートパソコンでは、バッテリーライン(DC-DC converterの一次側)にコンデンサが使われています。
このバッテリーラインは、一般的に电圧が高く、また消费电力の大きい回路に电力を供给するため、电圧変动が起きやすいので、鸣きが発生しやすい部分になります。

ノートパソコンの置き换え评価

动作モードを変えると、ノートパソコン内部の动作も変わり、音圧レベル/电圧変动/基板の変位量も変わるため、鸣きが発生しやすい动作モードそれぞれで评価を行う必要があります。
バッテリーライン(DC-DC converterの一次側)にセラミックコンデンサが複数使われている場合、バッテリーラインのコンデンサの一部を鳴き対策するのではなく、同じバッテリーライン全てのコンデンサを鳴き対策することで、音圧レベルをより低減することができます。

鸣き対策製品

当社では、セラミックコンデンサによる影响で鸣きが问题になった场合、鸣きに影响を与える要因によって、鸣き対策製品の使用や部品配置などの提案を行い、鸣き问题の改善に対応をしています。