開關(guān)電源音頻噪聲的產(chǎn)生與抑制方法

2019-04-09 14:01:15

音頻噪聲一般指開關(guān)電源自身在工作的過(guò)程中產(chǎn)生的，能被人耳聽到頻率為20－20kHz的音頻信號(hào)。電子和磁性元件的振蕩頻率在人耳聽覺(jué)范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生能聽見的信號(hào)。這種現(xiàn)象在電力變換研究初期已為人知。以50和60Hz工頻工作的變壓器常常產(chǎn)生討厭的交流噪聲。如果負(fù)載以音頻元件調(diào)制，以恒定超聲頻率工作的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器也會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲。
低功率電平時(shí)，音頻信號(hào)通常與轉(zhuǎn)換器無(wú)關(guān)．但是，設(shè)計(jì)人員可能希望降低其電路的聲波發(fā)射．低功率AC－DC轉(zhuǎn)換器中，將50或60Hz變壓器的鐵心薄片焊接在一起，能使交流噪聲降至容許的水平。高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的鐵氧體變壓器也采用了類似的技木。
過(guò)去常用高級(jí)音頻工程設(shè)備來(lái)研究開關(guān)電源的聲波輻射。這種裝置可以非常精確地測(cè)量絕對(duì)聲壓級(jí)和聲譜，但人類對(duì)聲音的感覺(jué)是很主觀的．很難說(shuō)多大的聲音是能聽到的，更難以確定的是在特定應(yīng)用中多大的聲音會(huì)被認(rèn)為是難以忍受的噪聲。
聲波輻射與電磁輻射相似，但沒(méi)有用于衡量聽覺(jué)容忍度的通用基準(zhǔn)。因此，設(shè)計(jì)者可以依據(jù)以下方針來(lái)處理與音頻噪聲相關(guān)的問(wèn)題，減少產(chǎn)品的聲音輻射。
一：變壓器產(chǎn)生的音頻噪聲
在大多數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，變壓器是主要的音頻噪聲源。試驗(yàn)板上第一個(gè)變壓器原型產(chǎn)生的噪聲往往令人吃驚．采用眾所周知的恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)技巧將基本上消除噪聲而不增加額外的費(fèi)用．在裝配原型變壓器時(shí)要注意成品性能的可重復(fù)性。
有一些機(jī)制會(huì)產(chǎn)生變壓器噪聲，每種都會(huì)產(chǎn)生發(fā)出聲音的機(jī)械位移。這些機(jī)制包括：
相對(duì)運(yùn)動(dòng)—磁芯兩部分間的吸引力使其移動(dòng)，壓迫將其分隔的介質(zhì)。
撞擊—如果兩塊磁芯的表面能接觸，它們響應(yīng)磁通激勵(lì)而移動(dòng)會(huì)使二者碰撞或刮擦。
彎曲—僅在EE或EI結(jié)構(gòu)的磁芯中間腿存在的裂隙，可使磁芯各部分沿其間吸引力的方向。
磁致伸縮—磁芯材料的尺寸隨磁通密度變化．普通功率的鐵氧體的變化率小于1ppm。
骨架移動(dòng)—磁芯片的位移可通過(guò)骨架傳送和放大。
線圈移動(dòng)—線圈中的電流產(chǎn)生移動(dòng)這些導(dǎo)線的吸引力和排斥力。
移動(dòng)源共同作用，形成了復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，它能在人耳聽力范圍內(nèi)的一個(gè)或幾個(gè)頻點(diǎn)上，產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振．10W以下離線反激式轉(zhuǎn)換器常用的結(jié)構(gòu)一般產(chǎn)生10kHz到20kHz的共振．當(dāng)磁通激勵(lì)的基頻或其諧波經(jīng)過(guò)機(jī)械共振區(qū)域時(shí)，移動(dòng)發(fā)出聲音。設(shè)計(jì)者應(yīng)全程變換負(fù)載以檢驗(yàn)音頻噪聲，特別是需要?jiǎng)討B(tài)負(fù)載時(shí)。
這些機(jī)制產(chǎn)生噪聲的大小根據(jù)各自所處的不同位置決定。幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)者可以應(yīng)用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)技術(shù)來(lái)有效衰減各種機(jī)制產(chǎn)生的音頻噪聲。
以下簡(jiǎn)單講解能有效衰減各種機(jī)制產(chǎn)生的音頻噪聲的常見方法。
首先變壓器要采用均勻浸漬，從而能有效填充線圈與線圈之間、線圈與骨架之間、骨架與磁芯之間的固有空隙，降低活動(dòng)部件發(fā)生位移的可能性，必要時(shí)可以再磁性元件與線路板接觸面填充白膠或噴涂三防漆，進(jìn)一步減小機(jī)械振動(dòng)的空間，有效降低噪聲。
在條件允許的情況下盡量降低峰值磁通密度，要充分考慮高溫時(shí)的飽和磁通密度，留足夠余量防止工作曲線進(jìn)入非線性區(qū)，可以有效降低變壓器的音頻噪聲，有實(shí)驗(yàn)證明峰值磁通密度從3000高斯降為2000高斯即可將發(fā)出的噪音降低5dB到15dB。
條件允許可以使用非晶、超微晶合金等軟磁材料，它們的磁均勻一致性遠(yuǎn)比一般鐵氧體好得多，磁致伸縮效應(yīng)趨于零，因此對(duì)應(yīng)力不敏感。
二：電容產(chǎn)生的音頻噪聲
所有的絕緣材料在電場(chǎng)的壓力下均會(huì)變形，這種電致伸縮效應(yīng)與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比。有些絕緣介質(zhì)還呈現(xiàn)壓電效應(yīng)，即與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的線性位移。壓電效應(yīng)通常是電容產(chǎn)生噪聲的主要途徑。
廉價(jià)的小陶瓷電容中的非線性絕緣材料通常含有大比例的鈦酸鋇，在正常工作溫度下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。因而，這些元件會(huì)比線性絕緣成份的電容產(chǎn)生更多的噪聲。開關(guān)電源中，電壓偏移最大的箝位電路中的電容最有可能產(chǎn)生音頻噪聲。
通常為了抑制電磁干擾和減小器件電壓應(yīng)力，開關(guān)電源一般采用RC、RCD等吸收電路，吸收電容常常選用高壓陶瓷電容，而高壓陶瓷電容是由非線性電介質(zhì)鈦酸鋇等材料制成，電致伸縮效應(yīng)比較明顯，在周期性尖峰電壓的作用下，電介質(zhì)不斷發(fā)生形變從而產(chǎn)生音頻噪聲。
電容噪聲的一般解決方法
解決的方法是把吸收回路用的高壓陶瓷電容換成電致伸縮效應(yīng)很小的聚脂薄膜電容，這樣可以基本消除電容產(chǎn)生的噪聲。
要確定陶瓷電容是否主要噪聲源，可以用不同絕緣體的電容來(lái)替換．薄膜電容是性價(jià)比不錯(cuò)的替代品．但應(yīng)注意替換品是否能經(jīng)受得住反復(fù)的尖峰電流和電壓應(yīng)力。
另一種具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的選擇是用齊納箝位電路來(lái)替代RCD箝位電路。齊納箝位的價(jià)格已與RCD箝位的相當(dāng)，但占用的空間小得多而效率更高。
三：電路振蕩產(chǎn)生的音頻噪聲
當(dāng)電源在工作過(guò)程中有問(wèn)歇式振蕩產(chǎn)生時(shí)，會(huì)引起線圈磁芯間歇式振動(dòng)，當(dāng)此振蕩頻率接近繞變壓器的固有振蕩頻率時(shí)，易引發(fā)共振現(xiàn)象，此時(shí)將產(chǎn)生人耳所能聽到的音頻噪聲。
電路振蕩產(chǎn)生的原因有很多，下面簡(jiǎn)單講解：
1：PCB設(shè)計(jì)不當(dāng)
A）功率大電流地線與控制回路地線共用同一走線，由于PCB覆銅線并非理想導(dǎo)體，它總是可以等效成電感或電阻，當(dāng)功率電流流過(guò)了和信號(hào)控制回路共用的PCB線，在PCB上產(chǎn)生電壓降落，特別是采用多點(diǎn)接地時(shí)，由于控制電路各節(jié)點(diǎn)分散在不同位置，功率電流引起的電壓降對(duì)控制電路疊加了擾動(dòng)，使電路發(fā)出噪音，這問(wèn)題通常采用單點(diǎn)接地可以得到改善。
B）芯片VCC電源走線過(guò)長(zhǎng)、或離高dt／di大電流走線過(guò)近而受到干擾，這問(wèn)題一般可通過(guò)在靠近芯片VCC引腳加個(gè)104瓷片去耦電容器得到改善。
C）基準(zhǔn)穩(wěn)壓ICTL431的接地線失誤、同樣的次級(jí)的基準(zhǔn)穩(wěn)壓IC的接地和初級(jí)IC的接地一樣有著類似的要求，那就是都不能直接和變壓器的冷地?zé)岬叵噙B接。如果連在一起的后果就是帶載能力下降并且嘯叫聲和輸出功率的大小呈正比。當(dāng)輸出負(fù)載較大，接近電源功率極限時(shí)，開關(guān)變壓器可能會(huì)進(jìn)入一種不穩(wěn)定狀態(tài)：前一周期開關(guān)管占空比過(guò)大，導(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)高頻變壓器傳輸了過(guò)多的能量；直流整流的儲(chǔ)能電感本周期內(nèi)能量未充分釋放，經(jīng)PWM判斷在下一個(gè)周期內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生令開關(guān)管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或占空比過(guò)小；開關(guān)管在之后的整個(gè)周期內(nèi)為截止?fàn)顟B(tài)，或者導(dǎo)通時(shí)間過(guò)短；儲(chǔ)能電感經(jīng)過(guò)多于一整個(gè)周期的能量釋放，輸出電壓下降，開關(guān)管下一個(gè)周期內(nèi)的占空比又會(huì)大……如此周而復(fù)始，使變壓器發(fā)生較低頻率（有規(guī)律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率）的振動(dòng)，發(fā)出人耳可以聽到的較低頻率的聲音。
同時(shí)，輸出電壓波動(dòng)也會(huì)較正常工作增大。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)間歇性全截止周期數(shù)量達(dá)到總周期數(shù)的一個(gè)可觀比例時(shí)，甚至?xí)钤竟ぷ髟诔曨l段的變壓器振動(dòng)頻率降低，進(jìn)入人耳可聞的頻率范圍，發(fā)出尖銳的高頻“哨叫”。此時(shí)的開關(guān)變壓器工作在嚴(yán)重的超載狀態(tài)，時(shí)刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來(lái)，相信有些用戶曾經(jīng)有過(guò)類似的經(jīng)歷。
空載，或者負(fù)載很輕時(shí)開關(guān)管也有可能出現(xiàn)間歇性的全截止周期，開關(guān)變壓器同樣工作在超載狀態(tài)，同樣非常危險(xiǎn)。針對(duì)此問(wèn)題，可通過(guò)在輸出端預(yù)置假負(fù)載的方法解決，但在一些“節(jié)省”的或大功率電源中仍偶有發(fā)生。當(dāng)不帶載或者負(fù)載太輕時(shí)，變壓器在工作時(shí)所產(chǎn)生的反電勢(shì)不能很好的被吸收。這樣變壓器就會(huì)耦合很多雜波信號(hào)到你的1．2繞組。這個(gè)雜波信號(hào)包括了許多不同頻譜的交流分量。其中也有許多低頻波，當(dāng)?shù)皖l波與你變壓器的固有振蕩頻率一致時(shí)，那么電路就會(huì)形成低頻自激。變壓器的磁芯不會(huì)發(fā)出聲音。我們知道，人的聽覺(jué)范圍是20－－20KHZ。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，一般都加上選頻回路。以濾除低頻成份。從你的原理圖來(lái)看，你最好是在反饋回路上加一個(gè)帶通電路，以防止低頻自激．或者是將你的開關(guān)電源做成固定頻率的即可。
有些開關(guān)電源在全程變換負(fù)載測(cè)試時(shí)會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲。例如通信行業(yè)在開關(guān)電源的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，動(dòng)態(tài)負(fù)載被定義為周期1ms、斜率0．1A／s，按照25％－50％—＿25％和75％—＿50％一75％兩種變化規(guī)律的階躍負(fù)載，以正激變換器為例，輸出電感的電流由輸出脈動(dòng)電流和階躍電流兩部分組成，脈動(dòng)電流的頻率和開天電源的工作頻率相同，一般不會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲，而階躍電流的周期和給定階躍負(fù)載的周期一致，當(dāng)輸出電容比較小，階躍電流dt／di變化率過(guò)高，這時(shí)也會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲解決的方法是增加輸出電容，由于電源內(nèi)部體積的限制，輸出電容一般也不可能很大，這時(shí)也可以試著延緩環(huán)路的反應(yīng)時(shí)間，相應(yīng)也就減小了電流變化率，從而起到一定的抑制的作用。但需要注意的是，延緩環(huán)路的反應(yīng)時(shí)間會(huì)使輸出電壓的過(guò)沖或跌落會(huì)大很多，這也是一個(gè)需要折中考慮的問(wèn)題。

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