開關電源噪音產(chǎn)生的原因_如何改善反激式開關電源噪音

時間：2018-06-28 19:23:46

關鍵字：功率開關電源電源技術解析轉(zhuǎn)換器

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[導讀]音頻噪聲一般指開關電源自身在工作的過程中產(chǎn)生的，能被人耳聽到頻率為20-20kHz的音頻信號，尤其是對2-40kHz的時候最為敏感，如下等響曲線圖1。電子和磁性元件的振蕩頻率在

音頻噪聲一般指開關電源自身在工作的過程中產(chǎn)生的，能被人耳聽到頻率為20-20kHz的音頻信號，尤其是對2-40kHz的時候最為敏感，如下等響曲線圖1。電子和磁性元件的振蕩頻率在人耳聽覺范圍內(nèi)時，會產(chǎn)生能聽見的信號。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。如果負載以音頻元件調(diào)制，以恒定超聲頻率工作的開關功率轉(zhuǎn)換器也會產(chǎn)生音頻噪聲。本文首先介紹了開關電源噪音產(chǎn)生的原因，其次闡述了如何改善反激式開關電源噪音的解決辦法，具體的跟隨小編一起來了解一下。

開關電源噪音產(chǎn)生的原因

1、電源模塊噪聲的產(chǎn)生

反激式開關電源拓撲結(jié)構(gòu)，如圖所示。由場效應管Q1導通，輸入電流流過變壓器和場效應管Q1，再場效應管Q1關斷，使得輸入電流通過電磁感應到變壓器的輸出端，實現(xiàn)能量的傳遞。由于變壓器初級存在漏感，漏感和場效應管Q1的寄生電容產(chǎn)生振蕩，振蕩產(chǎn)生的減壓尖峰，在能量傳遞過程中，也傳遞到了輸出端，形成噪聲。漏源級的電壓波形如圖所示。

2、變壓器產(chǎn)生的音頻噪聲

在大多數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器應用中，變壓器是主要的音頻噪聲源。試驗板上第一個變壓器原型產(chǎn)生的噪聲往往令人吃驚。采用眾所周知的恰當?shù)慕Y(jié)構(gòu)技巧將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復性。

有一些機制會產(chǎn)生變壓器噪聲，每種都會產(chǎn)生發(fā)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，它們響應磁通激勵而移動會使二者碰撞或刮擦。

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—磁芯片的位移可通過骨架傳送和放大。

線圈移動—線圈中的電流產(chǎn)生移動這些導線的吸引力和排斥力。

移動源共同作用，形成了復雜的機械系統(tǒng)，它能在人耳聽力范圍內(nèi)的一個或幾個頻點上，產(chǎn)生強烈的共振.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。當磁通激勵的基頻或其諧波經(jīng)過機械共振區(qū)域時，移動發(fā)出聲音。設計者應全程變換負載以檢驗音頻噪聲，特別是需要動態(tài)負載時。

這些機制產(chǎn)生噪聲的大小根據(jù)各自所處的不同位置決定。幸運的是，設計者可以應用簡單的結(jié)構(gòu)技術來有效衰減各種機制產(chǎn)生的音頻噪聲。

3、電容產(chǎn)生的音頻噪聲

所有的絕緣材料在電場的壓力下均會變形，這種電致伸縮效應與電場強度的平方成正比。有些絕緣介質(zhì)還呈現(xiàn)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產(chǎn)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鈦酸鋇，在正常工作溫度下產(chǎn)生壓電效應。因而，這些元件會比線性絕緣成份的電容產(chǎn)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(zhì)鈦酸鋇等材料制成，電致伸縮效應比較明顯，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。

4、電路振蕩產(chǎn)生的音頻噪聲

當電源在工作過程中有問歇式振蕩產(chǎn)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(fā)共振現(xiàn)象，此時將產(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號控制回路共用的PCB線，在PCB上產(chǎn)生電壓降落，特別是采用多點接地時，由于控制電路各節(jié)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(fā)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干擾，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(wěn)壓ICTL431的接地線失誤、同樣的次級的基準穩(wěn)壓IC的接地和初級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熱地相連接。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(wěn)定狀態(tài)：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內(nèi)能量未充分釋放，經(jīng)PWM判斷在下一個周期內(nèi)沒有產(chǎn)生令開關管導通的驅(qū)動信號或占空比過小;開關管在之后的整個周期內(nèi)為截止狀態(tài)，或者導通時間過短;儲能電感經(jīng)過多于一整個周期的能量釋放，輸出電壓下降，開關管下一個周期內(nèi)的占空比又會大……如此周而復始，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，發(fā)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。當單位時間內(nèi)間歇性全截止周期數(shù)量達到總周期數(shù)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范圍，發(fā)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態(tài)，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(jīng)有過類似的經(jīng)歷。

如何改善反激式開關電源噪音

1、好的布局設計抑制噪聲

在設計的過程中，工程師們都會在場效應管DS兩端加吸收電路，減小尖峰，可以有效的減小電源模塊的輸出噪聲。

實際應用中，在模塊輸入輸出端加電容，配合好的PCB布局可以更進一步的減小模塊的輸出紋波與噪聲。PCB板的布局，根據(jù)電流的流向上放電容，電源模塊紋波噪聲都不再是問題。下圖列舉了兩種布局方式。

E_URBD-6W系列模塊電源設計時，考慮的電容以及變壓器的布局，有效的減小了電源模塊輸出紋波噪聲。下圖是典型型號E2405URBD-6W的輸出紋波噪聲。

2、變壓器音頻噪聲的解決辦法

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(fā)生位移的可能性，必要時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，留足夠余量防止工作曲線進入非線性區(qū)，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比一般鐵氧體好得多，磁致伸縮效應趨于零，因此對應力不敏感。

3、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(jīng)受得住反復的尖峰電流和電壓應力。