開(kāi)關(guān)電源噪音產(chǎn)生的原因_如何改善反激式開(kāi)關(guān)電源噪音

　　音頻噪聲一般指開(kāi)關(guān)電源自身在工作的過(guò)程中產(chǎn)生的，能被人耳聽(tīng)到頻率為20-20kHz的音頻信號(hào)，尤其是對(duì)2-40kHz的時(shí)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(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生能聽(tīng)見(jiàn)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(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器也會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲。本文首先介紹了開(kāi)關(guān)電源噪音產(chǎn)生的原因，其次闡述了如何改善反激式開(kāi)關(guān)電源噪音的解決辦法，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下。

　　開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖所示。由場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，輸入電流流過(guò)變壓器和場(chǎng)效應(yīng)管Q1，再場(chǎng)效應(yīng)管Q1關(guān)斷，使得輸入電流通過(guò)電磁感應(yīng)到變壓器的輸出端，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。由于變壓器初級(jí)存在漏感，漏感和場(chǎng)效應(yīng)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(guò)程中，也傳遞到了輸出端，形成噪聲。漏源級(jí)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(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(tīng)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。

　　3、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(kāi)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(kāi)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。

　　4、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(tīng)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或占空比過(guò)小;開(kāi)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(kāi)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(tīng)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(kāi)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。

　　如何改善反激式開(kāi)關(guān)電源噪音

　　1、好的布局設(shè)計(jì)抑制噪聲

　　在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，工程師們都會(huì)在場(chǎng)效應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中，在模塊輸入輸出端加電容，配合好的PCB布局可以更進(jìn)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(wèn)題。下圖列舉了兩種布局方式。

　　E_URBD-6W系列模塊電源設(shè)計(jì)時(shí)，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(hào)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(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。

　　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(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。