修復可產(chǎn)生音頻噪聲的反激式電源

盡管開關(guān)電源的工作頻率遠超過人類的聽力范圍，但它們在特定的負載條件下可以產(chǎn)生音頻噪聲。音頻噪聲的可能來源多種多樣。噪聲可以是設計缺陷(如振蕩輸出電壓)導致，或者由電容或變壓器等噪聲元件導致。在有些情況下，所聽到的尖銳刺耳的噪鳴或嘶嘶聲可能就像風扇在異常頻率下出現(xiàn)的搖蕩，或者由于電源靠近外部EMI源(熒光燈或電源插排)所導致。

本文將探討反激式電源中最常見的噪聲來源，并介紹可能的解決方案。下文中描述的所有操作程序都可以使用一個可程控交流電源供應器或自耦變壓器和一個電子負載來完成。請記住，在有些情況下，電源所產(chǎn)生的噪聲水平可能非常低，如果該電源將在密閉殼體內(nèi)使用，那么音頻噪聲就不會構(gòu)成問題。

可能的噪聲源

反激式電源中最常見的噪聲源是噪聲元件。這種噪聲通常由陶瓷電容或鐵氧體變壓器磁芯產(chǎn)生。陶瓷電容中的噪聲通常由逆向壓電效應造成。對介質(zhì)結(jié)構(gòu)施加電壓后，會引發(fā)機械應力或應變，造成材料變形。當這種材料發(fā)生變形時，會排出周圍的空氣，從而產(chǎn)生噪聲。

由于在發(fā)生較大的電壓擺動時會出現(xiàn)逆向壓電效應，因此設計師可以重點查找出現(xiàn)較高dV/dt擺幅的陶瓷電容。在典型的電源中，這些電容包括緩沖電容、箝位電容以及陶瓷輸出電容

要想快速確定一個陶瓷電容是否在產(chǎn)生噪聲，請用一個具有相同電容值和適當電壓額定值的金屬膜電容將其替換。如果噪聲水平下降，說明您找到了電路中的噪聲源。

如果噪聲源是箝位電容，可以用一個金屬膜電容將其徹底替換，或者嘗試使用介質(zhì)材料不同的陶瓷電容。另一個方法是，更換正在使用的箝位電容，例如，將其更換為穩(wěn)壓管箝位電路。如果噪聲問題源自緩沖電容，可以用一個金屬膜電容將其替換，也可以提高串聯(lián)電阻的值，以降低電容上的dV/dt噪聲。您也可以改用其它介質(zhì)的陶瓷電容，看噪聲能否降低。

圖1：修復高噪聲箝位電容的方法

如果噪聲問題存在于陶瓷輸出電容，可以嘗試許多不同的策略來解決。其中一個方法是，嘗試換用電解電容或換用其他介質(zhì)材料的電容?；蛘撸梢杂枚鄠€并聯(lián)陶瓷電容來替換問題電容。每個電容尺寸的減小將使其表面積相應減小，從而改變電容的機械共振。

管理變壓器磁芯噪聲

另一方面，變壓器磁芯產(chǎn)生的噪聲通常由磁致伸縮造成，它類似于逆向壓電效應。當受到磁場影響時，許多鐵磁材料都會改變形狀。隨著變壓器磁芯中磁場的變化，此類材料會使磁芯發(fā)生物理振動。當振動頻率達到變壓器的機械共振頻率時，振動就會被放大，并造成更大的音頻噪聲。在交流電氣設備(如使用60 Hz外加磁場的變壓器)中，最大長度變化每周期出現(xiàn)兩次，從而產(chǎn)生熟悉的120 Hz噪聲。

如果您的設計出現(xiàn)這種問題，在開始排查原因之前首先要確保它不是由設計不當引起。首先，確認所提供的輸入電壓和輸出負載符合設計規(guī)格。如果電源的工作電壓低于指定的最低輸入電壓，或高于指定的輸出負載，那么部分交流周期將會失去穩(wěn)壓，這樣會造成磁芯中的磁通量增大并產(chǎn)生噪聲。

如果輸入電壓和負載處于規(guī)格范圍之內(nèi)，接下來檢驗輸入大容量電容的值是否正確。如果輸入電容相對于應用而言過小，直流總線電壓將在交流刷新周期之間大幅降低，造成部分輸入的交流周期失去穩(wěn)壓。

變壓器中包含多種可活動元件，如線圈、隔離膠帶和骨架，它們使變壓器成為了常見的噪聲源。線圈中電流可產(chǎn)生電磁場，電磁場會產(chǎn)生令許多變壓器元件出現(xiàn)機械振動的力。減小變壓器元件物理移動的最有效方法是使用粘合材料或涂漆。例如，用清漆浸漬磁芯是一種廣泛使用的方法，用來防止磁芯隨骨架進行振動。雖然供應商提供了眾多涂漆技術(shù)，但我們推薦使用清漆浸漬技術(shù)，而不是真空浸漬，這是因為真空浸漬會大幅提高繞組電容，從而降低效率并使EMI增大。

如果您的設計需要使用長磁芯型變壓器，則可以采用的另一個策略是使用標準磁芯長度。長磁芯產(chǎn)品(如EEL型變壓器和EERL型變壓器)都具有極低的機械諧振頻率。這種低諧振頻率容易增大音頻噪聲。采用諧振頻率較高的標準磁芯長度可以緩解該問題。但務必要注意，如果改用較短的標準磁芯，則必須使用更大的磁芯尺寸，才能提供足夠的繞組窗口面積。

處理脈沖束流

脈沖束流是另一個潛在的噪聲源。當設計中的傳導電流脈沖聚集在一起，然后出現(xiàn)更多數(shù)量的跳脈沖時，就會出現(xiàn)脈沖束流現(xiàn)象。脈沖聚集會在開關(guān)模式中產(chǎn)生頻率分量，它們通常都在聽覺范圍內(nèi)。脈沖束流在采用開/關(guān)控制模式的電源中最為常見。

為確定您的設計中是否存在這種現(xiàn)象，請斷開MOSFET漏極走線，然后插入一個電流環(huán)，以監(jiān)測漏極電流的開關(guān)模式。

電源在正常負載下工作時，使用一個電流探針和一個示波器抓取在一個寬時間量程內(nèi)的一組漏極開關(guān)脈沖。下圖對顯示脈沖束流的波形與具有正常開關(guān)模式的波形進行了比較。如果看到類似于左圖的脈沖 – 一行出現(xiàn)大量脈沖，接著是兩個或更多跳脈沖，就說明您的設計可能存在這種問題。

圖2：存在脈沖束流(左)的電路波形與具有正常開關(guān)模式(右)的電路波形之比較

通常，脈沖束流現(xiàn)象表示反饋電路過慢，導致控制器響應滯后。診斷此問題時，可以先確認反饋電路中的所有元件值是否都與設計中指定的值相符。一個可以嘗試的解決方案是，在設計中采用D型光耦器。D型光耦器具有比標準光耦器更高的增益。另一個策略是，添加一個反饋環(huán)路加速電路，以縮短響應時間。該電路將能確保光耦晶體管始終在有源區(qū)工作，這樣可以防止它發(fā)生飽和，并提高響應速度。

圖3：反饋環(huán)路加速電路

結(jié)論

雖然反激式電源中的音頻噪聲源多種多樣，但最常見的“罪魁禍首”往往是陶瓷電容或鐵氧體變壓器磁芯。如果您測試發(fā)現(xiàn)電源中存在明顯的噪聲，則可以試用本文所介紹的應對策略。在多數(shù)情況下，您都可以快速找到故障元件并解決噪聲問題。 音頻噪聲,反激式電源