直流電源的降噪與測量

摘要

直流開關(guān)電源會產(chǎn)生可聞噪聲，常會聽到輕微的嘯叫聲。那么，這種噪聲來自哪里，如何減少或消除呢？本文介紹的幾種簡單方法可以在測量和設(shè)計應(yīng)用時防止可聞噪聲；文章還將指出，現(xiàn)有或規(guī)劃好的直流電源電路PCB設(shè)計中常見的薄弱環(huán)節(jié)。

概述

人們普遍認(rèn)為，片式多層陶瓷電容器（MLCC）或直流電源電路會產(chǎn)生可聞噪聲，事實并不是這樣。噪聲是由印刷電路板引起的，而不是組件本身。

圖1顯示了三個典型的評估板。本文將逐步揭示這些部件的噪聲，以及電路板尺寸及其安裝對噪聲產(chǎn)生的影響。

圖1: MPS評估板(1)

注:

1. 1. 從左到右分別為：MPQ4590，640V非隔離式穩(wěn)壓器，輸出電流高達400mA；MPQ4316，具有擴頻頻率和低靜態(tài)電流的45V/6A同步降壓變換器；MPQ4572，60V/2A高效全集成同步降壓變換器。

振源

當(dāng)MLCC陶瓷電容器上的電壓由于壓電效應(yīng)而變化時，電容器的幾何形狀也會發(fā)生變化，進而導(dǎo)致振動 （見圖2）。

圖2: MLCC振動

那么，PCB上的噪聲是如何產(chǎn)生的？直流電源電路中的哪些組件才是根源呢？

陶瓷電容器（MLCC）中的電壓變化會產(chǎn)生振動刺激。在聲音敏感的頻率范圍（0.1kHz至7kHz）內(nèi)，很容易聽到振動。振動再通過焊點傳遞到PCB，PCB就會猶如揚聲器膜片一樣發(fā)出可聞噪聲。

圖3 顯示了直流電源電路中的典型組件。其中，MLCC和PCB尺寸是產(chǎn)生可聞噪聲的關(guān)鍵因素，其他組件不會產(chǎn)生噪聲。

圖3：MLCC只是產(chǎn)生振動刺激，而PCB才是噪聲源

并非所有MLCC都具有相同的行為特性。只有大容量的II類和III類MLCC會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。其他類型的電容器、模壓電感、電阻和IC，在接有負(fù)載的情況下幾何形狀不會有任何變化。因此，其他組件均與可聞噪聲無關(guān)（請參見表1）。

表1：可聞和不可聞系統(tǒng)中的組件分類

FCCM或AAM模式下的直流電源

在強制連續(xù)導(dǎo)通模式（FCCM）下工作的直流電源電路僅在語音敏感的音頻范圍內(nèi)產(chǎn)生可聞噪聲（例如GSM脈沖或其他周期性負(fù)載），而較高的直流開關(guān)電源頻率是無法聽到的。

當(dāng)直流電源電路以高級異步調(diào)制模式（AAM）工作時，輕載模式的開關(guān)頻率可在20kHz以下的較低范圍內(nèi)。AAM開關(guān)頻率不是固定頻率，而是隨機的，這降低了噪聲的可聞程度。AAM僅在輕載電流下才有效，此時通常沒有強烈刺激，因此很少產(chǎn)生噪聲。

三種機械系統(tǒng)的比較

PCB上產(chǎn)生的可聞噪聲與弦樂器上產(chǎn)生聲音的方式相同（請參見圖4）。

圖4：PCB上的聲音與音樂

具體理論描述如下：

1. 刺激：系統(tǒng)接收輸入信號，即接收刺激。人耳對2kHz至5kHz之間的音頻最敏感，這與許多PCB的諧振頻率相同。刺激波形就像用手指彈吉他或用小錘敲弦一樣，起到狄拉克脈沖的作用，而許多部件都對頻率產(chǎn)生影響，例如PCB諧振、刺激敲弦以及PCB對可聞基頻和泛音的響應(yīng)。當(dāng)MLCC振動頻率等于PCB諧振頻率時，會產(chǎn)生最大噪聲。

2. 振動：振動可以產(chǎn)生運動。當(dāng)振動表面過小時，MLCC在自由空氣中的振動是聽不到的。這類似于未經(jīng)放大很難聽到振動的樂器或琴弦。

3. 琴橋：振動傳遞到音板，而琴橋（焊點）傳遞振動。帶金屬焊條或插入基板的MLCC會衰減傳遞的振動能量。

4. 音板：音板將振動轉(zhuǎn)換為可聞噪聲。PCB就類似于音板，也相當(dāng)于揚聲器的膜片。

用麥克風(fēng)測量PCB噪聲

直流電源電路和PCB安裝架產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲和諧振頻率可以通過麥克風(fēng)和提供狄拉克脈沖刺激的小物件進行測量。電容式麥克風(fēng)即是一個不錯的選擇，相比動圈式麥克風(fēng)，它對MLCC的磁場敏感度較低。

用硬塑料或塑料鑷子制成的小棒當(dāng)作簡單的機械聽診器，可以更容易聽到可聞噪聲（見圖5）。而金屬物體會發(fā)出更大的聲音，有助于找到振動幅度較高的點。

圖5：可聞噪聲測量裝置

比較上電和未上電麥克風(fēng)的測量結(jié)果，會發(fā)現(xiàn)其PCB諧振頻率完全相同（見圖6）。

上電狀態(tài)下：PCB被電信號激勵。250Hz的負(fù)載階躍使MLCC振動，MLCC繼而以3900Hz的諧振頻率激勵PCB。

未上電狀態(tài)下：PCB受機械沖擊的激勵，用塑料棒短按一下，會導(dǎo)致PCB以3900Hz的諧振頻率機械振動。

無論激勵類型是機械還是電氣，都不會影響PCB的諧振頻率。機械沖擊測試可以顯示出被測PCB的聲學(xué)性能，只要PCB尺寸和連接點類似，其行為也與后續(xù)系列PCB相似。

圖6：采用MPS的MPQ4572測量9cmx4cm全組裝系列SMT PCB

用唱機轉(zhuǎn)盤和麥克風(fēng)測量PCB噪聲

如果沒有壓電加速度計，可以簡單地采用唱機轉(zhuǎn)盤測量PCB金剛石鋸片上精確的水平振動（見圖7）。如果僅動磁式或動圈式唱頭不通電測量，則電容器電流的磁場會干擾信號。如果上電測試，則晶體唱頭是測量振動的更佳選擇。在麥克風(fēng)測量整體噪聲時，唱頭或壓電加速度計可測量一個特定的點。

圖7：諧振頻率為2166Hz的9cmx9cm 雙面分層PCB板

下圖顯示出麥克風(fēng)在第二次敲擊期間引起機械彈跳。較大的唱頭振幅表示PCB以及帶唱臂的唱頭的水平移動。這里的PCB在兩側(cè)受到支撐，且在轉(zhuǎn)盤的橡膠墊上方未固定。

圖8：測量可聞噪聲和單點振動

表2 列出了在不同條件下的PCB諧振頻率。

表2：諧振頻率與PCB尺寸的關(guān)系

在實際設(shè)計過程中，可以將處于初步設(shè)計狀態(tài)的PCB機械模型用于首次測量。在測量諧振頻率之前，將PCB安裝在外殼中，然后對二者的組合進行測量。

疊加的振動頻率和PCB振動傳遞函數(shù)

計算負(fù)載電流的快速傅立葉變換（FFT）（參見圖9），并將這些值與PCB模型的諧振頻率進行比較。檢查計算出的頻率是否達到PCB諧振頻率。

圖9：250Hz方波的快速傅立葉變換（FFT）

PCB具有振動傳遞函數(shù)，大致相當(dāng)于一個機械二階諧振系統(tǒng)。該函數(shù)由質(zhì)量和彈簧常數(shù)組成，由PCB尺寸和剛度定義（見圖10）。

圖10: 簡化的PCB振動傳遞函數(shù)

將FFT與PCB振動傳遞函數(shù)疊加，然后檢查PCB諧振是否存在重疊頻率。需考慮機械設(shè)計，并確保大的振動幅度不要達到諧振頻率區(qū)域。

如何降低直流電源電路的噪聲

在PCB諧振頻率附近，可以清楚地聽到振動。需避免振動頻率和諧振頻率的重疊。

對大多數(shù)PCB來說，無法更改電激勵，但是可以通過以下方式更改PCB以避免聲學(xué)噪聲：

1. 將PCB的諧振頻率提高至盡可能高于振動頻率。增加更多的連接點，以提高PCB的諧振頻率。

2. 增加PCB阻尼，在安裝點采用軟阻尼材料（例如塑料、橡膠）。

3. 減小PCB尺寸以提高諧振頻率。

4. 增大與阻尼材料接觸的區(qū)域以增加阻尼，從而減少可聞噪音。

結(jié)論

MLCC陶瓷電容器上的電壓變化會由于壓電效應(yīng)而導(dǎo)致幾何形狀發(fā)生變化，進而引起機械運動。MLCC中產(chǎn)生的這種振動通過焊點傳遞到PCB，PCB像揚聲器膜片一樣在聽覺上將其放大。振動的頻率分量、PCB的尺寸、質(zhì)量、彈簧常數(shù)以及安裝類型決定了是否會產(chǎn)生可聞噪聲。

開發(fā)DC PCB安裝架時，要注意將電路板與多個分散的安裝點連接，以增大諧振頻率。用減振材料固定以降低諧振頻率的質(zhì)量，同時避免振動頻率激勵PCB的諧振頻率。硬件開發(fā)人員應(yīng)考慮電路板上的可聞噪聲是否會產(chǎn)生干擾，例如在安靜環(huán)境中的電話或監(jiān)視器上。

必須先確定MLCC中由電負(fù)載范圍導(dǎo)致的預(yù)期頻譜，而且需要估算已規(guī)劃好且組裝好的PCB的諧振行為。有了這些信息，就可以預(yù)先優(yōu)化直流電源電路的結(jié)構(gòu)和PCB設(shè)計。

本文介紹的方法可以幫助工程師估計是否會出現(xiàn)噪聲問題，從而避免PCB的多次開發(fā)。