开关电源在不同情况下出现噪音的解决方法探究
发布时间：2021-08-18
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
每个从事开发工作的人都有类似的经历。在测试开关电源或实验中，会听到类似产品产生的高压泄漏或高压电弧声音：这些声音可能大也可能小，有时甚至没有；它们的节奏可以是深沉、刺耳或多变。
音频噪音通常指的是开关电源在工作过程中产生的频率介于20-20KHz之间的音频信号。当电子和磁性元件的振荡频率处于人耳可听范围内时，就会产生可听见的信号。对于功率转换的研究来说，这个现象早在很久以前就已知晓了。运行在50和60赫兹电源频率下的变压器通常会产生令人不悦的交流噪音。如果负载由音频元件进行调制，并且开关电源转换器在恒定超声频率下工作，那么也会产生音频噪音。在低功率水平下，音频信号通常与转换器无关。然而，设计人员可能希望降低其电路所发出的声波。
每个从事开发工作的人都会有这样的经验。在测试开关电源或进行实验时，会听到类似产品产生的高压泄漏或高压电弧不良声音：声音可能大，也可能小，有时甚至没有；它们的节奏可以是深沉、刺耳或多变。
音频噪声通常指的是开关电源在工作过程中产生的频率介于20-20KHz之间的音频信号。
每个从事开发工作的人都会有这样的经历。在测试开关电源或实验中，我们听到类似产品产生的高压泄漏声或高压电弧声音：有时声音很大，有时很小，甚至有时根本没有声音；节奏时而深沉，时而刺耳，时而多变。
音频噪声通常是指开关电源在工作过程中产生的频率在20-20KHz之间的声音信号。当电子和磁性元件的振荡频率落在人耳可以听到的范围内时，就会产生可听见的信号。这个现象早在功率转换研究的早期阶段就已被了解。在50和60 Hz电源频率下运行的变压器通常会产生令人不快的交流噪声。如果负载由音频元件调制，并且开关电源转换器在恒定的超声频率下工作，也会产生音频噪声。低功率水平下，音频信号通常与转换器无关。但设计人员可能希望降低电路的声音辐射。在低功率AC－DC转换器中，将50或60Hz变压器的铁心薄片焊接在一起，可以将交流噪声降至可接受的水平。高频开关转换器中的铁氧体变压器也采用了类似的技术。
过去，我们通常使用高级音频工程设备来研究开关电源的声音辐射。这些设备可以精确地测量绝对声压级和声谱，但人们对声音的感觉是非常主观的。很难确定能听到多大的声音，更难以确定在特定应用中哪个声音会被认为是无法忍受的噪声。
声波辐射与电磁辐射类似，但没有通用的基准来衡量听觉容忍度。因此，设计者可以参考以下准则来处理与音频噪声相关的问题，以减少产品的声音辐射。
电源音频噪声的产生与抑制方法
一：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。每当我们在试验板上使用第一个原型变压器时，往往会被其产生的噪声吓到。然而，采用众所周知的适当结构技巧可以基本消除噪声，而不增加额外的成本。装配原型变压器时需要注意确保成品性能的可重复性。存在一些机制导致变压器产生噪声，这些机制会引起机械位移并发出声音。这些机制包括以下几点：
相对运动- 磁芯两部分之间的吸引力使它们发生移动，并通过压缩介质来分离它们。
碰撞- 如果两块磁芯的表面接触，它们会响应磁通激励而发生碰撞或刮擦。
弯曲- 仅在EE或EI结构的磁芯中间腿存在裂隙，可以使磁芯的各部分沿着吸引力方向发生弯曲。
磁致伸缩- 磁芯材料的尺寸会随着磁通密度的变化而发生变化。普通功率铁氧体的变化率小于1ppm。
骨架移动- 磁芯片的位移可以通过骨架传递和放大。
线圈移动- 线圈中的电流会产生吸引力和排斥力，从而使导线发生移动。
这些机制相互作用形成了复杂的机械系统，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见的结构通常在10kHz到20kHz之间产生共振。当磁通激励的基频或其谐波通过机械共振区域时，就会产生位移并发出声音。设计者应该全程测试负载以检测音频噪声，尤其是在需要动态负载时。
这些机制产生的噪声大小取决于它们所处的位置。幸运的是，设计者可以采用简单的结构技术有效地减小各种机制产生的音频噪声。
以下是一些常见方法，可以有效地减小各种机制产生的音频噪声：
首先，变压器应采用均匀浸渍，以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。如果必要，在磁性元件与线路板接触面可以填充白胶或喷涂防护漆，进一步减小机械振动的空间，从而有效降低噪声。
在适当的条件下，尽可能降低峰值磁通密度是一种有效的方法。我们应该充分考虑高温情况下的饱和磁通密度，并留有足够的余量，以防止工作曲线进入非线性区域。这样做可以有效地降低变压器产生的音频噪声。实验证明，将峰值磁通密度从3000高斯降低到2000高斯，可以将发出的噪音降低5dB到15dB。
如果条件允许，可以使用非晶、超微晶合金等软磁材料。相比一般铁氧体，这些材料具有更好的磁均匀性，且磁致伸缩效应趋近于零，因此对应力不敏感。采用这些材料可以进一步减小音频噪声的产生。
二：电容器产生的音频噪声
所有绝缘材料在电场压力下都会发生形变，这种电致伸缩效应与电场强度的平方成正比。某些绝缘介质还表现出压电效应，即与电场强度成正比的线性位移。电容器产生噪声主要是通过这种压电效应传播的。
廉价的小型陶瓷电容器中通常含有高比例的钛酸钡等非线性绝缘材料，在正常工作温度下会产生压电效应。因此，这些元件相比线性绝缘材料制成的电容器会产生更多的噪声。在开关电源中，具有最大电压偏移的限流电路中的电容器最可能产生音频噪声。
为了抑制电磁干扰和减小器件电压应力，开关电源通常采用吸收电路，例如RC、RCD等。在这些吸收电路中，常使用高压陶瓷电容器作为吸收电容器。然而，这些高压陶瓷电容器由非线性电介质如钛酸钡等材料制成，其电致伸缩效应较为显著。在周期性尖峰电压的作用下，电介质会不断发生形变，从而产生音频噪声。
一般解决电容器噪声问题的方法是将吸收电路中使用的高压陶瓷电容器替换为具有较小电致伸缩效应的聚脂薄膜电容器，这样可以基本消除电容器产生的噪声。
要确定陶瓷电容器是否是主要的噪声源，可以尝试使用其他绝缘材料制成的电容器进行替换。薄膜电容器是性价比较高的替代品，但需要确保其能够耐受反复的尖峰电流和电压应力。
另一个具有价格竞争力的选择是使用齐纳（X2Y）箝位电路来替代RCD（RC + Diode）箝位电路。齐纳箝位电路的价格与RCD箝位电路相当，但它占用更小的空间且效率更高。
三：电路振荡引发的音频噪声
当电源在工作过程中发生间歇性振荡时，会导致线圈磁芯产生间歇性振动。如果该振荡频率接近绕变压器的固有振荡频率，就容易引发共振现象，从而产生人耳可听到的音频噪声。
电路振荡产生的原因有很多，下面简要介绍几个：
PCB设计不良：
a) 当功率大电流地线与控制回路地线共用同一走线时，在PCB上会产生电压降，由于PCB覆铜线并非理想导体，它会等效成电感或电阻。特别是在采用多点接地时，由于控制电路的各节点分散在不同位置，功率电流引起的电压降会对控制电路产生扰动，从而导致电路发出噪音。这个问题通常可以通过使用单点接地来改善。
b) 如果芯片的VCC电源走线过长，或者离高dt/di大电流走线过近，可能会受到干扰。一般可以通过在靠近芯片VCC引脚处添加104瓷片去耦电容器来改善。
c) 基准稳压ICTL431的接地线处理错误，与次级基准稳压IC的接地和初级IC的接地有着类似的要求，即不能直接与变压器的冷地或热地相连。如果连接在一起，会导致带载能力下降，啸叫声与输出功率的大小成正比。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不稳定状态，导致间歇性全截止周期过长，能量传输过多，或者储能电感能量未充分释放，这些情况会使得变压器发生低频（有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化）振动，产生人耳可听到的低频噪声。
同时，输出电压波动也会增大，当单位时间内间歇性全截止周期数量达到总周期数的一定比例时，甚至会使本应工作在超声频段的变压器振动频率下降，进入人耳可听到的高频范围，发出尖锐的“哨叫”声。此时开关变压器处于严重超载状态，有可能发生烧毁的危险。空载或负载较轻时，开关管也可能出现间歇性全截止周期，开关变压器同样处于超载状态，同样存在危险。为了解决这个问题，可以通过预置假负载在输出端进行处理，但在某些“节省成本”的大功率电源中仍然可能发生类似情况。在没有负载或者负载过轻时，变压器产生的反电势不能很好地被吸收，从而导致杂波信号耦合到1.2绕组中。这些杂波信号包括许多不同频谱的交流成分，其中包括许多低频波。
关于PCB走线的其他要注意的地方总结：
尽可能保持信号线短，并远离MOS管漏极走线，以避免噪声耦合。信号地应独立布线，并尽量与功率地分离。对于光耦地、Vcc地和Y电容地，需要进行分离布线。同时，反馈脚的电容应尽可能靠近IC。
电源和地的走线应平行布置。敏感和高频走线应尽量远离可能引起干扰的电源走线。
加宽电源和地的走线可以减小电源线和地线之间的阻抗。
尽量减少由漏极、箝位和变压器组成的环路区域。
尽量减少由次级绕组、输出二极管和输出滤波电容组成的环路区域。
增加走线之间的距离来减小电容耦合的串扰。
反馈设计时需要注意避免过宽的带宽设置和不足的相位余量。可以尝试降低带宽，因为有些设计为了提高瞬态响应而导致带宽过宽，这会减弱对高频干扰的抑制。盲目提高带宽是不可取的。
四：大功率开关电源短路啸叫
我们都曾经遇到过这种情况，当我们对开关电源进行满载后的短路测试时，有时会听到电源发出啸叫声。或者在设置电流保护时，当电流调试到某个阶段时，也会产生啸叫声，这种声音起伏不定，非常令人讨厌。它的原因主要有以下几点：
当输出负载较重，接近电源功率极限时，开关变压器可能会进入一种不稳定的状态：上一个周期中，开关管的占空比过大，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在本周期内没有充分释放能量，在下一个周期内无法产生足够的驱动信号或占空比过小；开关管在接下来的整个周期中是截止状态，或者导通时间过短；储能电感经过多个周期的能量释放后，输出电压下降，开关管在下一个周期内的占空比又会增加......这样循环往复，导致变压器以较低频率（具有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率）振动，发出人耳可听到的低频声音。
同时，输出电压波动也会比正常工作时增大。当单位时间内间歇性全截止周期的数量占总周期数的相当比例时，甚至会导致原本在超声频范围内振动的变压器频率降低，进入人耳可听到的尖锐高频“啸叫”范围。此时开关变压器处于严重超载状态，随时有烧毁的风险。这就是许多电源在烧毁之前发出“惨叫”的原因，我相信一些用户可能曾经有过类似的经历。即使在空载或负载较轻的情况下，开关管也可能出现间歇性的全截止周期，使得开关变压器同样处于超载状态，同样非常危险。
针对这个问题，可以通过在输出端加上虚拟负载来解决，但在一些“省事”的或者大功率的电源中仍有可能发生。当没有负载或负载很轻时，变压器产生的反电势不能被很好地吸收。这样，变压器会将许多杂波信号耦合到1-2绕组中，这些杂波信号包括了多种频谱的交流成分，其中包含很多低频波。当低频波与变压器固有的振荡频率相吻合时，电路将形成低频自激。变压器的磁芯本身并不会发出声音。我们知道，人类听觉范围介于20Hz至20kHz之间。因此，在设计电路时，通常会添加选频回路来滤除低频成分。从你的原理图来看，最好在反馈回路上加入一个带通滤波器，以防止低频自激。或者，你可以将开关电源设计为固定频率的。
五：阶跃负载引发的音频噪声
某些开关电源在进行负载测试时可能会产生音频噪声。例如，在通信行业的开关电源测试标准中，动态负载定义为周期为1ms、斜率为0.1 A/s，并按照25%-50%-25%和75%-50%-75%两种变化模式进行阶跃负载测试。以正激变换器为例，输出电感的电流由输出脉动电流和阶跃电流组成，而脉动电流的频率与开关电源相同。
通常情况下，当阶跃电流的周期与给定阶跃负载的周期一致时，不会产生音频噪声。然而，如果输出电容相对较小且阶跃电流的变化速率（dt/di）过高，也会导致音频噪声的产生。解决这个问题的方法是增加输出电容。然而，由于电源内部空间的限制，通常无法大幅度增加输出电容。
除此之外，还可以尝试延缓回路的反应时间，以相应地降低电流变化速率，从而在一定程度上抑制噪声。但需要注意的是，延迟环路的响应时间会导致输出电压的过度波动，这是一种权衡的办法。因此，在解决音频噪声问题时需要综合考虑这些因素。
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