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    新聞詳細

    開關電源系統的噪音分析

    作者:
    MYFB
    來源:
    2020/03/24 09:13
    瀏覽量
    【摘要】:

    在目前日益發展的電子應用技術行業,我們對電子產品的要求也越來越高;其實是整個行業的規范化,電子產品的標準不斷的升級;比如我們家庭的TV產品工作時(靜音狀態下)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,測試在電子產品中,高壓的電子線路電容和磁性元件能產生聲響。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:

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    開關電源電路運行>20KHZ  基本無噪音。

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    開關電源電路運行20HZ--20KHZ  系統出現可聽噪音。

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

    說明: E:\李杏村(合同、資質等文件)\5.網站宣傳\網站上傳資料\富邦\2019.11.04\電子產品:開關電源系統的噪音分析!\3.jpg

    在電子產品的開關電源系統中,電容鉗位電路在大電壓場合最有可能產生可聞噪聲。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,以確保更換經得起重復峰值電流和電壓應力。電容器還可以產生可聞噪音,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!

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    2.變壓器工作出現的噪音,在電子產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,變壓器噪音均會存在!對于開關電源系統的產品:

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    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,最終傳到人耳朵而被聽見。

    電子產品中電源變壓器發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出響聲;

    ②氣隙的長度不適合,導致變壓器的工作狀態不穩定而發出響聲;

    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出響聲(變壓器如果經過完全含浸,一般不會發聲)。

    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)變壓器的環路問題

    變壓器的環路問題即指變壓器的環路發生振蕩從而引起變壓器發生嘯叫。

    ①電路板布線不當,從而造成干擾引發振蕩,導致響聲;

    ②反饋回路參數設置不當,導致環路不穩定以致產生振蕩而發出響聲;

    ③環路中元器件的質量問題,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開關速度設計出現掉溝現象等等,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:

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    初級接地規則:

    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Power GND(即大信號GND);

    注意不好的設計容易出現EMS-Surge及系統噪音的問題!

    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;

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

    通常的做法:增強設計開發技術,以減少發聲噪音

    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:

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    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。在公式中可以看到,變壓器磁通量變化擺動減少:可調整Np,Ae,Lm,可減少音頻噪聲的結果。

    如需設計細節可參考我的:《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生振蕩現象,表現為變壓器的噪音和輸出的不穩定。

    發生這種現象是由于空載/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!

    3.電感器件出現噪音;在電子產品中我以BUCK為例進行分析;

    根據BUCK控制IC芯片的不同和外圍電路的不同,解決方法也各不相同,本文檔的宗旨是分析電感噪音的根本原因,并綜合各種不同的解決方法,供學習參考和借鑒。

    ①       上端BUCK的控制設計-LED背光驅動設計電路

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    我們先來分析電路關鍵器件對性能參數的影響;

    采樣電阻R=R923//R922//R941//R942;該電阻的作用是檢測輸出電流,當輸出電流超過閥值時,將控制輸出PWM脈沖寬度進行調整,保持輸出電流恒定。IC-7Pin &8Pin通過外部的PWM(150HZ-300HZ)來進行PWM調光控制;IC-14Pin-RT為內部震蕩電路的頻率調整電阻,電阻變小,則頻率升高,一般情況,輸出方波頻率等于該震蕩頻率。頻率越高輸出紋波越小。

    L901電感量越大,則輸出紋波越小,紋波的大小還會影響到輸出調整的靈敏度,紋波越小,靈敏度越高,輸出越穩定。受BUCK回路超快恢復續流二極管的反向恢復時間的影響,過大的電感器件其分布電容增大在電感上的開關電流尖峰電流也越大,會使L901電感容易產生噪音。如下測試Data:

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    測試過大的電感尖峰電流。

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    調整電感分布電容參數后的電感尖峰電流。

    ②電感噪音的原因所在及解決方法

    A.電感噪音原因之一:周期性電流經過電感線圈,產生交變磁場,該電感線圈在交變磁場作用下產生振動而發出聲音。

    B.PWM-Dimming時BUCK電路輸出的開關電流的頻率接近或落入音頻范圍,或周期性方波群的周期頻率接近或落入音頻范圍。

    C.非屏蔽性電感器件位置布局在金屬導體周圍,其開放性磁場的切割磁力線運動;在交變磁場作用下產生振動而發出聲音;如下圖設計:

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    850uH的工字型電感放置在板邊緣與金屬殼體高度距離過近<5mm;通過調整位置或增加絕緣距離后,產品噪音消除!

    ① 電感噪音的解決方法

    A.提高輸出開關電流的頻率。通過提高開關頻率保持紋波電流可以減小電感的感量,從而優化電感器件的分布電容。

    B.通過改善電感的繞制方法減小電感分布電容;電感改善工藝,減小振動噪音,如要求供應商增加浸漆及空隙點膠的工序等。

    C. 通過優化設計控制電感在峰值電流的磁通密度<2300高斯以下;參考上述的公式通用適應用電感

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    其中Lm為設計電感量,Ibp是電感工作時峰值電流,Ae是磁芯橫斷面面積,NP是線圈圈數。在公式中可以得到,電感磁通量變化擺動減少:可調整Np,Ae,Lm,可減少音頻噪聲的結果。

    調整合適的工作頻率及電感參數后;電子產品系統有最佳的效果!如下:

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    CH1:MOS-DRV  CH4:BUCK-L(電流)。

    4.注意變壓器&電感等感性器件其電感線圈品質因數Q也比較關鍵的

    Q值是衡量電感器件的主要參數.

    Q值是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時,所呈現的感抗與其等效損耗電阻之比.電感器的Q值越高,其損耗越小,效率越高.

    品質因數Q是反映線圈質量的重要參數,提高線圈的Q值,

    可以說是繞制線圈要注意的重點;高的Q值也會有更低的噪音問題!

    對于感性器件提供給大家幾種方法:同時對感性器件的噪音消除也有幫助!

    A.根據工作頻率,選用線圈的導線及線徑

    工作于低頻段的電感線圈,一般采用漆包線等帶絕緣的導線繞制。

    工作頻率高于幾十KHZ,而低于1MHz的電路中,可采用多股絕緣的導線繞制線圈;這樣,可有效地增加導體的表面積,從而可以克服集膚效應的影響,使Q值比相同截面積的單根導線繞制的線圈提高30%-50%。

    在高頻電路中如果使用工字型電感的電路中,電感線圈應采用單根導線繞制,導線的直徑一般為0.2mm-1.5mm。

    采用間繞的電感線圈,常用鍍銀銅線繞制,以增加導線表面的導電性。

    這時不宜選用多股導線繞制,否則線圈絕緣介質及分布電容將引起額外的損耗,其效果反不如單根導線好。

    B.選用優質的線圈骨架,減少介質損耗

    在頻率較高的場合,如為普通的線圈骨架,其介質損耗顯著增加,因此應選用高頻介質材料,如高頻瓷、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等作為骨架,并采用間繞法繞制。

    C.選擇合理的線圈尺寸

    基本參數:繞組厚度t、繞組長度L和外徑D

    外徑一定的單層線圈(φ20mm-30mm),當繞組長度L與外徑D的比值L/D=0.7時,其損耗最??;

    外徑一定的多層線圈L/D=0.2-0.5,用t/D=0.25-0.1時,其損耗最小。

    繞組厚度t、繞組長度L和外徑D之間

    滿足3t+2L=D的情況下,損耗也最小。

    采用屏蔽罩的線圈,其L/D=0.8-1.2時最佳。

    D.選定合理屏蔽罩的直徑

    用屏蔽罩,會增加線圈的損耗,使Q值降低,因此屏蔽罩的尺寸不宜過小。

    然而屏蔽罩的尺寸過大,會增大體積,因而要選定合理屏蔽罩的直徑尺寸。

    當屏蔽罩直徑Ds與線圈直徑D之比滿足如下數值

    即Ds/D=1.6-2.5時,Q值降低不大于10%。

    E.采用合適的磁芯可使線圈圈數顯著減少

    線圈中采用合適的磁芯,減少了線圈的圈數,可以減小線圈的電阻值及分布電容,有利Q值的提高,還可以縮小線圈的體積。

    F.減小繞制線圈的分布電容

    盡量采用無骨架方式繞制線圈,或者繞制在凸筋式骨架上的線圈,能減小分布電容15%-20%;

    變壓器的分段繞法能減小多層線圈的分布電容的1/3~l/2。

    對于多層線圈來說,直徑D越小,繞組長度L越小或繞組厚度t越大,則分布電容越小。

    注意:經過漫漬和封涂后的線圈,其分布電容將增大20%-30%。

    5.變壓器及電感的分布電容也是處理噪音的關鍵

    分布容易過大的原因如下:

    A、繞組的繞幅過寬;

    B、絕緣材料厚度〈漆皮厚度、層間絕緣膠帶的包覆〉;

    C、磁芯材質〈飽和磁感應強度參數〉;

    可以采用如下方法改善:

    A、調整繞組的繞線與幅度〔增加線包的直徑、減小線包的高度〕;

    B、降低漆皮線漆膜厚度;

    C、層間絕緣膠帶包松;

    D、選擇合適的飽和磁感應強度磁芯;

    對于變壓器的繞制設計推薦使用交錯式繞制方式最佳!

    6.總結

    我重點介紹了變壓器及電感器件噪音產生的根本原因,以及不同的解決方法及解決原理。對于變壓器及電感噪音的其它電路拓撲架構問題,可以舉一反三,應用于其它電路中??傊?,處理問題的方法和技巧思路是大同小異的,具體的應用參考對應的電源電路和電源控制芯片的datasheet。

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