开关电源噪音产生的原因_如何改善反激式开关电源噪音

发布日期:2018-06-30 23:49,查看次数:196

音频噪声一般指开关电源自身在工作的过程中产生的,能被人耳听到频率为20-20kHz的音频信号,尤其是对2-40kHz的时候最为敏感,如下等响曲线图1。电子和磁性元件的振荡频率在人耳听觉范围内时,会产生能听见的信号。这种现象在电力变换研究初期已为人知。以50和60Hz工频工作的变压器常常产生讨厌的交流噪声。如果负载以音频元件调制,以恒定超声频率工作的开关功率转换器也会产生音频噪声。本文首先介绍了开关电源噪音产生的原因,其次阐述了如何改善反激式开关电源噪音的解决办法,具体的跟随小编一起来了解一下。

开关电源噪音产生的原因

1、电源模块噪声的产生

反激式开关电源拓扑结构,如图所示。由场效应管Q1导通,输入电流流过变压器和场效应管Q1,再场效应管Q1关断,使得输入电流通过电磁感应到变压器的输出端,实现能量的传递。由于变压器初级存在漏感,漏感和场效应管Q1的寄生电容产生振荡,振荡产生的减压尖峰,在能量传递过程中,也传递到了输出端,形成噪声。

2、变压器产生的音频噪声

在大多数反激式转换器应用中,变压器是主要的音频噪声源。试验板上第一个变压器原型产生的噪声往往令人吃惊。采用众所周知的恰当的结构技巧将基本上消除噪声而不增加额外的费用。在装配原型变压器时要注意成品性能的可重复性。

有一些机制会产生变压器噪声,每种都会产生发出声音的机械位移。这些机制包括:

相对运动—磁芯两部分间的吸引力使其移动,压迫将其分隔的介质。

撞击—如果两块磁芯的表面能接触,它们响应磁通激励而移动会使二者碰撞或刮擦。

弯曲—仅在EE或EI结构的磁芯中间腿存在的裂隙,可使磁芯各部分沿其间吸引力的方向。

磁致伸缩—磁芯材料的尺寸随磁通密度变化。普通功率的铁氧体的变化率小于1ppm。

骨架移动—磁芯片的位移可通过骨架传送和放大。

线圈移动—线圈中的电流产生移动这些导线的吸引力和排斥力。

移动源共同作用,形成了复杂的机械系统,它能在人耳听力范围内的一个或几个频点上,产生强烈的共振.10W以下离线反激式转换器常用的结构一般产生10kHz到20kHz的共振。当磁通激励的基频或其谐波经过机械共振区域时,移动发出声音。设计者应全程变换负载以检验音频噪声,特别是需要动态负载时。

这些机制产生噪声的大小根据各自所处的不同位置决定。幸运的是,设计者可以应用简单的结构技术来有效衰减各种机制产生的音频噪声。

3、电容产生的音频噪声

所有的绝缘材料在电场的压力下均会变形,这种电致伸缩效应与电场强度的平方成正比。有些绝缘介质还呈现压电效应,即与电场强度成正比的线性位移。压电效应通常是电容产生噪声的主要途径。

廉价的小陶瓷电容中的非线性绝缘材料通常含有大比例的钛酸钡,在正常工作温度下产生压电效应。因而,这些元件会比线性绝缘成份的电容产生更多的噪声。开关电源中,电压偏移最大的箝位电路中的电容最有可能产生音频噪声。

通常为了抑制电磁干扰和减小器件电压应力,开关电源一般采用RC、RCD等吸收电路,吸收电容常常选用高压陶瓷电容,而高压陶瓷电容是由非线性电介质钛酸钡等材料制成,电致伸缩效应比较明显,在周期性尖峰电压的作用下,电介质不断发生形变从而产生音频噪声。 

4、电路振荡产生的音频噪声

当电源在工作过程中有问歇式振荡产生时,会引起线圈磁芯间歇式振动,当此振荡频率接近绕变压器的固有振荡频率时,易引发共振现象,此时将产生人耳所能听到的音频噪声。

电路振荡产生的原因有很多,下面简单讲解:

1:PCB设计不当

A)功率大电流地线与控制回路地线共用同一走线,由于PCB覆铜线并非理想导体,它总是可以等效成电感或电阻,当功率电流流过了和信号控制回路共用的PCB线,在PCB上产生电压降落,特别是采用多点接地时,由于控制电路各节点分散在不同位置,功率电流引起的电压降对控制电路叠加了扰动,使电路发出噪音,这问题通常采用单点接地可以得到改善。

B)芯片VCC电源走线过长、或离高dt/di大电流走线过近而受到干扰,这问题一般可通过在靠近芯片VCC引脚加个104瓷片去耦电容器得到改善。

C)基准稳压ICTL431的接地线失误、同样的次级的基准稳压IC的接地和初级IC的接地一样有着类似的要求,那就是都不能直接和变压器的冷地热地相连接。如果连在一起的后果就是带载能力下降并且啸叫声和输出功率的大小呈正比。当输出负载较大,接近电源功率极限时,开关变压器可能会进入一种不稳定状态:前一周期开关管占空比过大,导通时间过长,通过高频变压器传输了过多的能量;直流整流的储能电感本周期内能量未充分释放,经PWM判断在下一个周期内没有产生令开关管导通的驱动信号或占空比过小;开关管在之后的整个周期内为截止状态,或者导通时间过短;储能电感经过多于一整个周期的能量释放,输出电压下降,开关管下一个周期内的占空比又会大……如此周而复始,使变压器发生较低频率(有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率)的振动,发出人耳可以听到的较低频率的声音。

同时,输出电压波动也会较正常工作增大。当单位时间内间歇性全截止周期数量达到总周期数的一个可观比例时,甚至会令原本工作在超声频段的变压器振动频率降低,进入人耳可闻的频率范围,发出尖锐的高频“哨叫”。此时的开关变压器工作在严重的超载状态,时刻都有烧毁的可能——这就是许多电源烧毁前“惨叫”的由来,相信有些用户曾经有过类似的经历。 

如何改善反激式开关电源噪音

1、好的布局设计抑制噪声

在设计的过程中,工程师们都会在场效应管DS两端加吸收电路,减小尖峰,可以有效的减小电源模块的输出噪声。

实际应用中,在模块输入输出端加电容,配合好的PCB布局可以更进一步的减小模块的输出纹波与噪声。PCB板的布局,根据电流的流向上放电容,电源模块纹波噪声都不再是问题。

2、变压器音频噪声的解决办法

首先变压器要采用均匀浸渍,从而能有效填充线圈与线圈之间、线圈与骨架之间、骨架与磁芯之间的固有空隙,降低活动部件发生位移的可能性,必要时可以再磁性元件与线路板接触面填充白胶或喷涂三防漆,进一步减小机械振动的空间,有效降低噪声。

在条件允许的情况下尽量降低峰值磁通密度,要充分考虑高温时的饱和磁通密度,留足够余量防止工作曲线进入非线性区,可以有效降低变压器的音频噪声,有实验证明峰值磁通密度从3000高斯降为2000高斯即可将发出的噪音降低5dB到15dB。

条件允许可以使用非晶、超微晶合金等软磁材料,它们的磁均匀一致性远比一般铁氧体好得多,磁致伸缩效应趋于零,因此对应力不敏感。

3、电容噪声的一般解决方法

解决的方法是把吸收回路用的高压陶瓷电容换成电致伸缩效应很小的聚脂薄膜电容,这样可以基本消除电容产生的噪声。

要确定陶瓷电容是否主要噪声源,可以用不同绝缘体的电容来替换。薄膜电容是性价比不错的替代品。但应注意替换品是否能经受得住反复的尖峰电流和电压应力。

另一种具有价格竞争力的选择是用齐纳箝位电路来替代RCD箝位电路。齐纳箝位的价格已与RCD箝位的相当,但占用的空间小得多而效率更高。


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