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序言
但凡做過開發(fā)工作的人員都有這樣的經(jīng)歷，測試開關(guān)電源或在實驗中有看到類似產(chǎn)品打高壓不良的短路響聲或高壓拉弧的聲音不請自來：其響聲或大或小，或時有時無;其韻律或深邃或嘶嘶，或變化無常者皆有。
音頻噪音通常指開關(guān)電源自身在工作的過程中形成的，能被人耳聽見頻度為20-20kHz的音頻訊號。電子和磁性器件的振蕩頻度在人耳觸覺范圍內(nèi)時,會形成能看見的訊號.這些現(xiàn)象在電力變換研究早期已為人知.以50和60Hz工頻工作的變壓器經(jīng)常形成厭惡的交流噪音.假如負(fù)載以音頻器件調(diào)制,以恒定超聲頻度工作的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器也會形成音頻噪音.
低功率電平時,音頻訊號一般與轉(zhuǎn)換器無關(guān).并且,設(shè)計人員可能希望增加其電路的聲波發(fā)射.低功率AC-DC轉(zhuǎn)換器中,將50或60Hz變壓器的鐵心薄片釬焊在一起,能使交流噪音降至允許的水平.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.
過去常用中級音頻工程設(shè)備來研究開關(guān)電源的聲波幅射.這些裝置可以十分精確地檢測絕對聲壓級和聲譜,但人類對聲音的覺得是很主觀的.很難說多大的聲音是能看到的,更無法確定的是在特定應(yīng)用中多大的聲音會被覺得是無法忍受的噪音.
聲波幅射與電磁幅射相像,但沒有用于評判觸覺容忍度的通用基準(zhǔn).因而,設(shè)計者可以根據(jù)以下方針來處理與音頻噪音相關(guān)的問題,降低產(chǎn)品的聲音幅射.
電源音頻噪音的形成與抑制方式
一：變壓器形成的音頻噪音
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音源.試驗板上第一個變壓器原型形成的噪音常常令人驚訝.采用眾所周知的恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)方法將基本上去除噪音而不降低額外的費用.在裝配原型變壓器時要注意成品性能的可重復(fù)性.
網(wǎng)路配圖
有一些機制會形成變壓器噪音,每種就會形成發(fā)出聲音的機械位移.這種機制包括:
相對運動—磁芯兩部份間的吸引力使其聯(lián)通,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)磁路激勵而聯(lián)通會使兩者碰撞或刮擦.
彎曲—僅在EE或EI結(jié)構(gòu)的磁芯中間腿存在的節(jié)理,可使磁芯各部份沿其間吸引力的方向
磁致伸縮—磁芯材料的規(guī)格隨磁路密度變化.普通功率的鐵氧體的變化率大于1ppm.
骨架聯(lián)通—磁芯片的位移可通過骨架傳送和放大.
線圈聯(lián)通—線圈中的電壓形成聯(lián)通這種導(dǎo)線的吸引力和敵視力.
聯(lián)通源共同作用,產(chǎn)生了復(fù)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,形成強烈的共振.10W以下離線反激式轉(zhuǎn)換器常用的結(jié)構(gòu)通常形成10kHz到20kHz的共振.當(dāng)磁路激勵的雜訊或其紋波經(jīng)過機械共振區(qū)域時,聯(lián)通發(fā)出聲音.設(shè)計者應(yīng)全程變換負(fù)載以檢驗音頻噪音,非常是須要動態(tài)負(fù)載時.
這種機制形成噪音的大小依據(jù)各自所處的不同位置決定.辛運的是,設(shè)計者可以應(yīng)用簡單的結(jié)構(gòu)技術(shù)來有效衰減各類機制形成的音頻噪音.
以下簡單講解能有效衰減各類機制形成的音頻噪音的常見方式。
首先變壓器要采用均勻浸漬，因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縫隙，增加活動部件發(fā)生位移的可能性，必要時可以再磁性器件與線路板接觸面填充膠水或涂裝三防漆，進一步降低機械震動的空間，有效減少噪音。
在條件容許的情況下盡量減少峰值磁路密度電源電流過大電壓波動電源電流過大電壓波動，要充分考慮低溫時的飽和磁路密度，留足夠余量避免工詞曲線步入非線性區(qū)，可以有效減少變壓器的音頻噪音，有實驗證明峰值磁路密度從3000高斯降為2000高斯即可將發(fā)出的噪聲增加5dB到15dB。
條件容許可以使用非晶、超微晶合金等軟磁材料，它們的磁均勻一致性遠比通常鐵氧體好得多，磁致伸縮效應(yīng)趨向零，因而對撓度不敏感。
二：電容形成的音頻噪音
所有的絕緣材料在電場的壓力下均會變型,這些電致伸縮效應(yīng)與電場硬度的平方成反比.有些絕緣介質(zhì)還呈現(xiàn)壓電效應(yīng),即與電場硬度成反比的線性位移.壓電效應(yīng)一般是電容形成噪音的主要途徑.
廉價的小陶瓷電容中的非線性絕緣材料一般富含大比列的錳酸鋇,在正常工作濕度下形成壓電效應(yīng).因此,這種器件會比線性絕緣成分的電容形成更多的噪音.開關(guān)電源中,電流偏斜最大的箝位電路中的電容最有可能形成音頻噪音.
一般為了抑制電磁干擾和降低元件電流撓度，開關(guān)電源通常采用RC、RCD等吸收電路,吸收電容往往選用高壓陶瓷電容，而高壓陶瓷電容是由非線性電介質(zhì)錳酸鋇等材料制成，電致伸縮效應(yīng)比較顯著，在周期性尖峰電流的作用下，電介質(zhì)不斷發(fā)生形變因而形成音頻噪音。
網(wǎng)路配圖
電容噪音的通常解決方式
解決的方式是把吸收回路用的高壓陶瓷電容換成電致伸縮效應(yīng)很小的聚酯薄膜電容，這樣可以基本清除電容形成的噪音。
要確定陶瓷電容是否主要噪音源,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代替品.但應(yīng)注意替換品是否能經(jīng)受得住反復(fù)的尖峰電壓和電流撓度.
另一種具有價錢競爭力的選擇是用齊納箝位電路來代替RCD箝位電路.齊納箝位的價錢已與RCD箝位的相當(dāng),但占用的空間小得多而效率更高.
三：電路振蕩形成的音頻噪音
當(dāng)電源在工作過程中有問歇式振蕩形成時，會導(dǎo)致線圈磁芯間歇式震動，當(dāng)此振蕩頻度接近繞變壓器的固有振蕩頻度時，易引起共振現(xiàn)象，此時將形成人耳所能看到的音頻噪音。
電路振蕩形成的緣由有好多，下邊簡單講解：
1：PCB設(shè)計不當(dāng)
A）功率大電壓相線與控制回路相線共用同一走線，因為PCB覆鋁線并非理想導(dǎo)體，它總是可以等效成電感或內(nèi)阻，當(dāng)功率電壓流過了和訊號控制回路共用的PCB線，在PCB上形成電流降落，非常是采用多點接地時，因為控制電路各節(jié)點分散在不同位置，功率電壓造成的電壓降對控制電路疊加了擾動，使電路發(fā)出噪聲，這問題一般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大電壓走線過近而遭到干擾，這問題通常可通過在緊靠芯片VCC引腳加個104墻磚去耦電容器得到改善。
C）基準(zhǔn)穩(wěn)壓的接地線失誤、同樣的次級的基準(zhǔn)穩(wěn)壓IC的接地和中級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?zé)岬叵嗦?lián)接。倘若連在一起的后果就是帶載能力增長但是嘯喊聲和輸出功率的大小呈反比。當(dāng)輸出負(fù)載較大，接近電源功率極限時，開關(guān)變壓器可能會步入一種不穩(wěn)定狀態(tài)：前一周期開關(guān)管轉(zhuǎn)矩過大，導(dǎo)通時間過長,通過高頻變壓器傳輸了過多的能量;直流檢波的儲能電感本周期內(nèi)能量未充分釋放，經(jīng)PWM判定在下一個周期內(nèi)沒有形成令開關(guān)管導(dǎo)通的驅(qū)動訊號或轉(zhuǎn)矩過小;開關(guān)管在以后的整個周期內(nèi)為截至狀態(tài)，或則導(dǎo)通時間過短;儲能電感經(jīng)過少于一整個周期的能量釋放，輸出電流回升，開關(guān)管下一個周期內(nèi)的基頻又會大……如此周而復(fù)始，使變壓器發(fā)生較低頻率(有規(guī)律的間歇性全截至周期或轉(zhuǎn)矩劇烈變化的頻度)的震動，發(fā)出人耳可以看見的較低頻率的聲音。同時，輸出電流波動也會較正常工作減小。當(dāng)單位時間內(nèi)間歇性全截至周期數(shù)目達到總周期數(shù)的一個可觀比列時，甚至?xí)钤裙ぷ髟诔曨l段的變壓器震動頻度增加，步入人耳可聞的頻度范圍，發(fā)出尖銳的高頻“哨叫”。此時的開關(guān)變壓器工作在嚴(yán)重的超員狀態(tài)，時刻都有毀壞的可能——這就是許多電源被毀前“慘叫”的來由，相信有些用戶以前有過類似的經(jīng)歷。
空載，或則負(fù)載很輕時開關(guān)管也有可能出現(xiàn)間歇性的全截至周期，開關(guān)變壓器同樣工作在超員狀態(tài)，同樣十分危險。針對此問題，可通過在輸出端預(yù)置假負(fù)載的方式解決，但在一些“節(jié)省”的或大功率電源中仍偶有發(fā)生。當(dāng)不帶載或則負(fù)載太輕時，變壓器在工作時所形成的反電勢不能挺好的被吸收。這樣變壓器都會耦合好多雜訊訊號到你的1.2定子。這個雜訊訊號包括了許多不同頻譜的交流份量。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度一致時，這么電路都會產(chǎn)生低頻移相。變壓器的磁芯不會發(fā)出聲音。我們曉得，人的觸覺范圍是20--20KHZ。所以我們在設(shè)計電路時，通常都加上選頻回路。以濾除低頻成分。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，以避免低頻移相.或則是將你的開關(guān)電源弄成固定頻度的即可。
網(wǎng)路配圖
關(guān)于PCB走線的另外一些須要注意的地方總結(jié)：
號線必須盡可能地短，而且遠離MOS管漏極走線以避免噪音耦合，訊號地獨立布線,盡可能與功率地分離.晶閘管地，Vcc地，Y電容地分開,反饋腳電容盡可能緊靠IC。
將電源和地平行布置。將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降低電源線和相線之間的阻抗。
最小化由漏極、箝位和變壓器構(gòu)成的支路區(qū)域
最小化由次級定子、輸出晶閘管和輸出混頻電容構(gòu)成的支路區(qū)域
降低走線之間的距離來減少電容耦合的信噪比。