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電子產品:開關電源系統的噪音分析!

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:


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:


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!


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:


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:


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PowerGND(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:


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!


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