開關電源有“聲音”？分析的好細緻！

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開關電源有“聲音”？分析的好細緻！

引言

凡是做過開發工作的人員都有這樣的經曆，測試開關電源或在實驗中有聽到類似産品打高壓不良的漏電聲響或高壓拉弧的聲音不請自來：其聲響或大或小，或時有時無;其韻律或深沉或刺耳，或變化無常者皆有。

音頻噪聲一般指開關電源自身在工作的過程中産生的，能被人耳聽到頻率為20-20kHz的音頻信号。電子和磁性元件的振蕩頻率在人耳聽覺範圍内時,會産生能聽見的信号.這種現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産生讨厭的交流噪聲.如果負載以音頻元件調制,以恒定超聲頻率工作的開關功率轉換器也會産生音頻噪聲.

低功率電平時,音頻信号通常與轉換器無關.但是,設計人員可能希望降低其電路的聲波發射.低功率AC-DC轉換器中,将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.高頻開關轉換器中的鐵氧體變壓器也采用了類似的技木.

過去常用高級音頻工程設備來研究開關電源的聲波輻射.這種裝置可以非常精确地測量絕對聲壓級和聲譜,但人類對聲音的感覺是很主觀的.很難說多大的聲音是能聽到的,更難以确定的是在特定應用中多大的聲音會被認為是難以忍受的噪聲.

聲波輻射與電磁輻射相似,但沒有用于衡量聽覺容忍度的通用基準.因此,設計者可以依據以下方針來處理與音頻噪聲相關的問題,減少産品的聲音輻射.

電源音頻噪聲的産生與抑制方法

一：變壓器産生的音頻噪聲

在大多數反激式轉換器應用中,變壓器是主要的音頻噪聲源.試驗闆上第一個變壓器原型産生的噪聲往往令人吃驚.采用衆所周知的恰當的結構技巧将基本上消除噪聲而不增加額外的費用.在裝配原型變壓器時要注意成品性能的可重複性.

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有一些機制會産生變壓器噪聲,每種都會産生發出聲音的機械位移.這些機制包括:

相對運動—磁芯兩部分間的吸引力使其移動,壓迫将其分隔的介質.

撞擊—如果兩塊磁芯的表面能接觸,它們響應磁通激勵而移動會使二者碰撞或刮擦.

彎曲—僅在EE或EI結構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

磁緻伸縮—磁芯材料的尺寸随磁通密度變化.普通功率的鐵氧體的變化率小于1ppm.

骨架移動—磁芯片的位移可通過骨架傳送和放大.

線圈移動—線圈中的電流産生移動這些導線的吸引力和排斥力.

移動源共同作用,形成了複雜的機械系統,它能在人耳聽力範圍内的一個或幾個頻點上,産生強烈的共振.10W以下離線反激式轉換器常用的結構一般産生10k Hz到 20k Hz的共振.當磁通激勵的基頻或其諧波經過機械共振區域時,移動發出聲音.設計者應全程變換負載以檢驗音頻噪聲,特别是需要動态負載時.

這些機制産生噪聲的大小根據各自所處的不同位置決定.幸運的是,設計者可以應用簡單的結構技術來有效衰減各種機制産生的音頻噪聲.

以下簡單講解能有效衰減各種機制産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，降低活動部件發生位移的可能性，必要時可以再磁性元件與線路闆接觸面填充白膠或噴塗三防漆，進一步減小機械振動的空間，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，要充分考慮高溫時的飽和磁通密度，留足夠餘量防止工作曲線進入非線性區，可以有效降低變壓器的音頻噪聲，有實驗證明峰值磁通密度從3000高斯降為2000高斯即可将發出的噪音降低5 dB到15dB。

條件允許可以使用非晶、超微晶合金等軟磁材料，它們的磁均勻一緻性遠比一般鐵氧體好得多，磁緻伸縮效應趨于零，因此對應力不敏感。

二：電容産生的音頻噪聲

所有的絕緣材料在電場的壓力下均會變形,這種電緻伸縮效應與電場強度的平方成正比.有些絕緣介質還呈現壓電效應,即與電場強度成正比的線性位移.壓電效應通常是電容産生噪聲的主要途徑.

廉價的小陶瓷電容中的非線性絕緣材料通常含有大比例的钛酸鋇,在正常工作溫度下産生壓電效應.因而,這些元件會比線性絕緣成份的電容産生更多的噪聲.開關電源中,電壓偏移最大的箝位電路中的電容最有可能産生音頻噪聲.

通常為了抑制電磁幹擾和減小器件電壓應力，開關電源一般采用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钛酸鋇等材料制成，電緻伸縮效應比較明顯，在周期性尖峰電壓的作用下，電介質不斷發生形變從而産生音頻噪聲。

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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緻伸縮效應很小的聚脂薄膜電容，這樣可以基本消除電容産生的噪聲。

要确定陶瓷電容是否主要噪聲源,可以用不同絕緣體的電容來替換.薄膜電容是性價比不錯的替代品.但應注意替換品是否能經受得住反複的尖峰電流和電壓應力.

另一種具有價格競争力的選擇是用齊納箝位電路來替代RCD箝位電路.齊納箝位的價格已與RCD箝位的相當,但占用的空間小得多而效率更高.

三：電路振蕩産生的音頻噪聲

當電源在工作過程中有問歇式振蕩産生時，會引起線圈磁芯間歇式振動，當此振蕩頻率接近繞變壓器的固有振蕩頻率時，易引發共振現象，此時将産生人耳所能聽到的音頻噪聲。

電路振蕩産生的原因有很多，下面簡單講解：

1：PCB設計不當

A）功率大電流地線與控制回路地線共用同一走線，由于PCB覆銅線并非理想導體，它總是可以等效成電感或電阻，當功率電流流過了和信号控制回路共用的PCB線，在PCB上産生電壓降落，特别是采用多點接地時，由于控制電路各節點分散在不同位置，功率電流引起的電壓降對控制電路疊加了擾動，使電路發出噪音，這問題通常采用單點接地可以得到改善。

B）芯片VCC電源走線過長、或離高dt/di大電流走線過近而受到幹擾，這問題一般可通過在靠近芯片VCC引腳加個104瓷片去耦電容器得到改善。

C）基準穩壓ICTL431的接地線失誤、同樣的次級的基準穩壓 IC的接地和初級IC 的接地一樣有着類似的要求，那就是都不能直接和變壓器的冷地熱地相連接。如果連在一起的後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。當輸出負載較大，接近電源功率極限時，開關變壓器可能會進入一種不穩定狀态：前一周期開關管占空比過大，導通時間過長, 通過高頻變壓器傳輸了過多的能量;直流整流的儲能電感本周期内能量未充分釋放，經PWM 判斷在下一個周期内沒有産生令開關管導通的驅動信号或占空比過小; 開關管在之後的整個周期内為截止狀态，或者導通時間過短;儲能電感經過多于一整個周期的能量釋放，輸出電壓下降，開關管下一個周期内的占空比又會大……如此周而複始，使變壓器發生較低頻率(有規律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率)的振動，發出人耳可以聽到的較低頻率的聲音。同時，輸出電壓波動也會較正常工作增大。當單位時間内間歇性全截止周期數量達到總周期數的一個可觀比例時，甚至會令原本工作在超聲頻段的變壓器振動頻率降低，進入人耳可聞的頻率範圍，發出尖銳的高頻“哨叫”。此時的開關變壓器工作在嚴重的超載狀态，時刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來，相信有些用戶曾經有過類似的經曆。

空載，或者負載很輕時開關管也有可能出現間歇性的全截止周期，開關變壓器同樣工作在超載狀态，同樣非常危險。針對此問題，可通過在輸出端預置假負載的方法解決，但在一些“節省”的或大功率電源中仍偶有發生。當不帶載或者負載太輕時， 變壓器在工作時所産生的反電勢不能很好的被吸收。這樣變壓器就會耦合很多雜波信号到你的1.2繞組。這個雜波信号包括了許多不同頻譜的交流分量。其中也有許多低頻波，當低頻波與你變壓器的固有振蕩頻率一緻時，那麼電路就會形成低頻自激。變壓器的磁芯不會發出聲音。我們知道，人的聽覺範圍是20--20KHZ。所以我們在設計電路時，一般都加上選頻回路。以濾除低頻成份。從你的原理圖來看，你最好是在反饋回路上加一個帶通電路，以防止低頻自激.或者是将你的開關電源做成固定頻率的即可。

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關于PCB走線的另外一些需要注意的地方總結：

号線必須盡可能地短，并且遠離MOS管漏極走線以防止噪聲耦合，信号地獨立布線,盡可能與功率地分離. 光耦地，Vcc地，Y電容地分開,反饋腳電容盡可能靠近IC。

将電源和地平行布置。 将敏感及高頻的走線盡量遠離高擾的電源走線。

加寬電源和地的走線來減小電源線和地線之間的阻抗。

最小化由漏極、箝位和變壓器構成的環路區域

最小化由次級繞組、輸出二極管和輸出濾波電容構成的環路區域

增加走線之間的距離來減小電容耦合的串擾。

2：反饋設計不當

比如帶寬設置過寬、相位餘量不足，解決的方法可以試着把帶寬壓一壓，有些設計為了提高瞬态響應，帶寬過寬對高頻幹擾的印制就會減弱，盲目提高帶寬是不可取的。

大功率開關電源短路嘯叫

相信大家遇到過這種情況，開關電源在滿載後突然将電源短路測試，有時候會聽到電源有嘯叫的情況;或者是在設置電流保護時，當電流調試到某一段位，會有嘯叫，其嘯叫的聲音抑揚頓挫，甚是煩人，究其原因主要為以下：

當輸出負載較大,接近電源功率極限時,開關變壓器可能會進入一種不穩定狀态:前一周期開關管占空比過大,導通時間過長,通過高頻變壓器傳輸了過多的能量;直流整流的儲能電感本周期内能量未充分釋放,經PWM 判斷,在下一個周期内沒有産生令開關管導通的驅動信号或占空比過小;開關管在之後的整個周期内為截止狀态,或者導通時間過短;儲能電感經過多于一整個周期的能量釋放,輸出電壓下降,開關管下一個周期内的占空比又會大…… 如此周而複始,使變壓器發生較低頻率(有規律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率)的振動,發出人耳可以聽到的較低頻率的聲音. 同時,輸出電壓波動也會較正常工作增大.當單位時間内間歇性全截止周期數量達到總周期數的一個可觀比例時,甚至會令原本工作在超聲頻段的變壓器振動頻率降低,進入人耳可聞的頻率範圍,發出尖銳的高頻“嘯叫”.此時的開關變壓器工作在嚴重的超載狀态,時刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來,相信有些用戶曾經有過類似的經曆. 空載,或者負載很輕時開關管也有可能出現間歇性的全截止周期,開關變壓器同樣工作在超載狀态,同樣非常危險.

針對此問題,可通過在輸出端預置假負載的方法解決,但在一些“節省”的或大功率電源中仍偶有發生.當不帶載或者負載太輕時,變壓器在工作時所産生的反電勢不能很好的被吸收.這樣變壓器就會耦合很多雜波信号到你的1.2繞組.這個雜波信号包括了許多不同頻譜的交流分量.其中也有許多低頻波,當低頻波與你變壓器的固有振蕩頻率一緻時,那麼電路就會形成低頻自激.變壓器的磁芯不會發出聲音.我們知道,人的聽覺範圍是20--20KHZ.所以我們在設計電路時,一般都加上選頻回路.以濾除低頻成份.從你的原理圖來看,你最好是在反饋回路上加一個帶通電路,以防止低頻自激.或者是将你的開關電源做成固定頻率的即可。

階躍負載産生的音頻噪聲

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有些開關電源在全程變換負載測試時會産生音頻噪聲。例如通信行業在開關電源的測試标準中，動态負載被定義為周期1 ms、斜率0．1 A／ s，按照25％-50％—_25％ 和75％—_50％一75％ 兩種變化規律的階躍負載，以正激變換器為例，輸出電感的電流由輸出脈動電流和階躍電流兩部分組成，脈動電流的頻率和開天電源的工作頻率相同，一般不會産生音頻噪聲，而階躍電流的周期和給定階躍負載的周期一緻，當輸出電容比較小，階躍電流dt/di變化率過高，這時也會産生音頻噪聲解決的方法是增加輸出電容，由于電源内部體積的限制，輸出電容一般也不可能很大，這時也可以試着延緩環路的反應時間，相應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，延緩環路的反應時間會使輸出電壓的過沖或跌落會大很多，這也是一個需要折中考慮的問題。

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