開關電源有“聲音”？原來可以這樣解決！

凡是做過開發工作的人員都有這樣的經歷，測試開關電源或在實驗中有聽到類似產品打高壓不良的漏電聲響或高壓拉弧的聲音不請自來：其聲響或大或小，或時有時無;其韻律或深沉或刺耳，或變化無常者皆有。


　　音頻噪聲一般指開關電源自身在工作的過程中產生的，能被人耳聽到頻率為20-20kHz的音頻信號。電子和磁性元件的振蕩頻率在人耳聽覺范圍內時,會產生能聽見的信號.這種現象在電力變換研究初期已為人知.以50和60Hz工頻工作的變壓器常常產生討厭的交流噪聲.如果負載以音頻元件調制,以恒定超聲頻率工作的開關功率轉換器也會產生音頻噪聲.


　　低功率電平時,音頻信號通常與轉換器無關.但是,設計人員可能希望降低其電路的聲波發射.低功率AC-DC轉換器中,將50或60Hz變壓器的鐵心薄片焊接在一起,能使交流噪聲降至容許的水平.高頻開關轉換器中的鐵氧體變壓器也采用了類似的技木.


　　過去常用高級音頻工程設備來研究開關電源的聲波輻射.這種裝置可以非常精確地測量聲壓級和聲譜,但人類對聲音的感覺是很主觀的.很難說多大的聲音是能聽到的,更難以確定的是在特定應用中多大的聲音會被認為是難以忍受的噪聲.


　　聲波輻射與電磁輻射相似,但沒有用于衡量聽覺容忍度的通用基準.因此,設計者可以依據以下方針來處理與音頻噪聲相關的問題,減少產品的聲音輻射.


　　電源音頻噪聲的產生與抑制方法


　　一：變壓器產生的音頻噪聲


　　在大多數反激式轉換器應用中,變壓器是主要的音頻噪聲源.試驗板上個變壓器原型產生的噪聲往往令人吃驚.采用的恰當的結構技巧將基本上消除噪聲而不增加額外的費用.在裝配原型變壓器時要注意成品性能的可重復性.




　　有一些機制會產生變壓器噪聲,每種都會產生發出聲音的機械位移.這些機制包括:


　　相對運動—磁芯兩部分間的吸引力使其移動,壓迫將其分隔的介質.


　　撞擊—如果兩塊磁芯的表面能接觸,它們響應磁通激勵而移動會使二者碰撞或刮擦.


　　彎曲—僅在EE或EI結構的磁芯中間腿存在的裂隙,可使磁芯各部分沿其間吸引力的方向


　　磁致伸縮—磁芯材料的尺寸隨磁通密度變化.普通功率的鐵氧體的變化率小于1ppm.


　　骨架移動—磁芯片的位移可通過骨架傳送和放大.


　　線圈移動—線圈中的電流產生移動這些導線的吸引力和排斥力.


　　移動源共同作用,形成了復雜的機械系統,它能在人耳聽力范圍內的一個或幾個頻點上,產生強烈的共振.10W以下離線反激式轉換器常用的結構一般產生10k Hz到 20k Hz的共振.當磁通激勵的基頻或其諧波經過機械共振區域時,移動發出聲音.設計者應全程變換負載以檢驗音頻噪聲,特別是需要動態負載時.


　　這些機制產生噪聲的大小根據各自所處的不同位置決定.幸運的是,設計者可以應用簡單的結構技術來有效衰減各種機制產生的音頻噪聲.


　　以下簡單講解能有效衰減各種機制產生的音頻噪聲的常見方法。


　　首先變壓器要采用均勻浸漬，從而能有效填充線圈與線圈之間、線圈與骨架之間、骨架與磁芯之間的固有空隙，降低活動部件發生位移的可能性，必要時可以再磁性元件與線路板接觸面填充白膠或噴涂三防漆，進一步減小機械振動的空間，有效降低噪聲。


　　在條件允許的情況下盡量降低峰值磁通密度，要充分考慮高溫時的飽和磁通密度，留足夠余量防止工作曲線進入非線性區，可以有效降低變壓器的音頻噪聲，有實驗證明峰值磁通密度從3000高斯降為2000高斯即可將發出的噪音降低5 dB到15dB。


　　條件允許可以使用非晶、超微晶合金等軟磁材料，它們的磁均勻一致性遠比一般鐵氧體好得多，磁致伸縮效應趨于零，因此對應力不敏感。


　　二：電容產生的音頻噪聲


　　所有的絕緣材料在電場的壓力下均會變形,這種電致伸縮效應與電場強度的平方成正比.有些絕緣介質還呈現壓電效應,即與電場強度成正比的線性位移.壓電效應通常是電容產生噪聲的主要途徑.


　　廉價的小陶瓷電容中的非線性絕緣材料通常含有大比例的鈦酸鋇,在正常工作溫度下產生壓電效應.因而,這些元件會比線性絕緣成份的電容產生更多的噪聲.開關電源中,電壓偏移的箝位電路中的電容可能產生音頻噪聲.


　　通常為了抑制電磁干擾和減小器件電壓應力，開關電源一般采用RC、RCD等吸收電路,吸收電容常常選用高壓陶瓷電容，而高壓陶瓷電容是由非線性電介質鈦酸鋇等材料制成，電致伸縮效應比較明顯，在周期性尖峰電壓的作用下，電介質不斷發生形變從而產生音頻噪聲。




　　電容噪聲的一般解決方法


　　解決的方法是把吸收回路用的高壓陶瓷電容換成電致伸縮效應很小的聚脂薄膜電容，這樣可以基本消除電容產生的噪聲。


　　要確定陶瓷電容是否主要噪聲源,可以用不同絕緣體的電容來替換.薄膜電容是性價比不錯的替代品.但應注意替換品是否能經受得住反復的尖峰電流和電壓應力.

　　另一種具有價格競爭力的選擇是用齊納箝位電路來替代RCD箝位電路.齊納箝位的價格已與RCD箝位的相當,但占用的空間小得多而效率更高.