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電子產(chǎn)品:開關電源系統(tǒng)的噪音分析!

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年12月28日  

在目前日益發(fā)展的電子應用技術行業(yè),我們對電子產(chǎn)品的要求也越來越高;其實是整個行業(yè)的規(guī)范化,電子產(chǎn)品的標準不斷的升級;比如我們家庭的TV產(chǎn)品工作時(靜音狀態(tài)下)有【嗡】的低頻噪音,也有的在耳朵貼近電視時才能聽到;這種噪音對聽覺敏感的人很容易聽到,我們來通過測試和分析哪些地方會是噪音的源頭呢?結果是:變壓器和電感器件是我們分析最多的情況;


我們通過噪音室抵近電路板進行近距離測試時,測試在電子產(chǎn)品中,高壓的電子線路電容和磁性元件能產(chǎn)生聲響。當他們工作在一定的頻率范圍會影響人類的聽覺。如下波形說明:


開關電源電路運行>20KHZ基本無噪音。


開關電源電路運行20HZ--20KHZ系統(tǒng)出現(xiàn)可聽噪音。


1.反激系統(tǒng)中的高壓瓷片電容-通常的壓電效應產(chǎn)生的主導機制,出現(xiàn)電容器噪音;如下圖示位置:


在電子產(chǎn)品的開關電源系統(tǒng)中,電容鉗位電路在大電壓場合最有可能產(chǎn)生可聞噪聲。要確定是否陶瓷電容器是一種噪音的主要來源,更換一個具有不同介質(zhì)的。塑料薄膜電容器是最具成本效益的替代品。注意,以確保更換經(jīng)得起重復峰值電流和電壓應力。電容器還可以產(chǎn)生可聞噪音,因為他們的壓電特征。取代了陶瓷電容器薄膜電容器,如下圖所示,可聽噪聲可減少!最簡單的方法是替換法!


2.變壓器工作出現(xiàn)的噪音,在電子產(chǎn)品中無論使用哪種開關拓撲的工作方式;無論工作在哪種狀態(tài),變壓器噪音均會存在!對于開關電源系統(tǒng)的產(chǎn)品:


主要是由于變壓器的激磁成分中含有低頻振蕩,使得磁芯的磁分子在這個低頻磁場下運動,產(chǎn)生機械振動,從而引起周圍空氣的振動。


由于人耳的可聞頻率大約在20Hz到20kHz,如果這個空氣的振動在此范圍內(nèi),最終傳到人耳朵而被聽見。


電子產(chǎn)品中電源變壓器發(fā)生噪音的原因主要有四個方面:


變壓器的工藝問題、變壓器的環(huán)路問題、變壓器的鐵心問題以及開關電源的負載問題,下面一一分析。


(1)變壓器的工藝問題


①浸漆烘干不到位,導致磁芯不牢固引起機械振動而發(fā)出響聲;


②氣隙的長度不適合,導致變壓器的工作狀態(tài)不穩(wěn)定而發(fā)出響聲;


③線包沒有繞緊也可能導致響聲;


④磁芯組合有氣隙存在,高頻時引起空氣振動而發(fā)出響聲(變壓器如果經(jīng)過完全含浸,一般不會發(fā)聲)。


⑤點膠和含浸,中柱點膠,磁芯結合處與骨架或線包必須連接!點膠量及烘烤時間控制。


(2)變壓器的環(huán)路問題


變壓器的環(huán)路問題即指變壓器的環(huán)路發(fā)生振蕩從而引起變壓器發(fā)生嘯叫。


①電路板布線不當,從而造成干擾引發(fā)振蕩,導致響聲;


②反饋回路參數(shù)設置不當,導致環(huán)路不穩(wěn)定以致產(chǎn)生振蕩而發(fā)出響聲;


③環(huán)路中元器件的質(zhì)量問題,如輸入濾波電容容量不足,輸出整流快恢復二極管反向恢復時間太長,功率MOS開關速度設計出現(xiàn)掉溝現(xiàn)象等等,這些問題都有可能導致震蕩而引起噪音。


以FLY為例:參考PCB設計圖如下:


初級接地規(guī)則:


A.連接方法為所有小信號GND與控制IC的GND相連后,與輔助繞組的輸出電容地相連,然后與輔助繞組的地相連,再連接到PowerGND(即大信號GND);


注意不好的設計容易出現(xiàn)EMS-Surge及系統(tǒng)噪音的問題!


B.反饋信號要獨立走到IC,反饋信號的GND與IC的GND相連。


次級接地規(guī)則:


a.輸出小信號地與相連后,與輸出電容的的負極相連;


b.輸出采樣電阻的地要與基準源(TL431)的地相連。


(3)變壓器的鐵芯問題;


變壓器鐵心發(fā)生飽和時,線圈中電流增大,變壓器發(fā)熱并產(chǎn)生自激震蕩,線圈的振蕩引起周圍空氣的振動從而發(fā)出噪音。


通常的做法:增強設計開發(fā)技術,以減少發(fā)聲噪音


選擇合適的磁芯,合適的控制IC技術,設計合適的磁通擺幅即:設計變壓器的機械振動的振幅密切相關的磁通擺動。高峰磁通密度從3000高斯到2500高斯以下對噪音提供一個明顯的好處;參考如下計算公式:


其中Lm為變壓器電感,Ibp是工作時峰值開關電流,Ae是磁芯橫斷面面積,NP是變壓器初級設計圈數(shù)。在公式中可以看到,變壓器磁通量變化擺動減少:可調(diào)整Np,Ae,Lm,可減少音頻噪聲的結果。


如需設計細節(jié)可參考我的:《開關電源關鍵器件及EMC設計》


(4)開關電源的負載問題


①開關電源在空載或輕載的情況下,在某些工作點處會發(fā)生振蕩現(xiàn)象,表現(xiàn)為變壓器的噪音和輸出的不穩(wěn)定。


發(fā)生這種現(xiàn)象是由于空載/輕載時,開關瞬時開通時間過大從而造成輸出能量太大,進而電壓過沖也很大,需要較長的時間去恢復到正常電壓,因此開關需停止工作一段時間,這樣開關就工作于間歇性工作模式,使變壓器工作在較低頻率(有規(guī)律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率)的振動。選擇合適的IC是設計的關鍵!


②變壓器工作在較深的過載情況,如果沒有保護措施;會有燒毀的情況!


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