修復(fù)可產(chǎn)生音頻噪聲的反激式電源

盡管開關(guān)電源的工作頻率遠(yuǎn)超過人類的聽力范圍，但它們在特定的負(fù)載條件下可以產(chǎn)生音頻噪聲。音頻噪聲的可能來源多種多樣。噪聲可以是設(shè)計(jì)缺陷(如振蕩輸出電壓)導(dǎo)致，或者由電容或變壓器等噪聲元件導(dǎo)致。在有些情況下，所聽到的尖銳刺耳的噪鳴或嘶嘶聲可能就像風(fēng)扇在異常頻率下出現(xiàn)的搖蕩，或者由于電源靠近外部EMI源(熒光燈或電源插排)所導(dǎo)致。

本文將探討反激式電源中最常見的噪聲來源，并介紹可能的解決方案。下文中描述的所有操作程序都可以使用一個(gè)可程控交流電源供應(yīng)器或自耦變壓器和一個(gè)電子負(fù)載來完成。請記住，在有些情況下，電源所產(chǎn)生的噪聲水平可能非常低，如果該電源將在密閉殼體內(nèi)使用，那么音頻噪聲就不會(huì)構(gòu)成問題。

可能的噪聲源

反激式電源中最常見的噪聲源是噪聲元件。這種噪聲通常由陶瓷電容或鐵氧體變壓器磁芯產(chǎn)生。陶瓷電容中的噪聲通常由逆向壓電效應(yīng)造成。對介質(zhì)結(jié)構(gòu)施加電壓后，會(huì)引發(fā)機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變，造成材料變形。當(dāng)這種材料發(fā)生變形時(shí)，會(huì)排出周圍的空氣，從而產(chǎn)生噪聲。

由于在發(fā)生較大的電壓擺動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)逆向壓電效應(yīng)，因此設(shè)計(jì)師可以重點(diǎn)查找出現(xiàn)較高dV/dt擺幅的陶瓷電容。在典型的電源中，這些電容包括緩沖電容、箝位電容以及陶瓷輸出電容

要想快速確定一個(gè)陶瓷電容是否在產(chǎn)生噪聲，請用一個(gè)具有相同電容值和適當(dāng)電壓額定值的金屬膜電容將其替換。如果噪聲水平下降，說明您找到了電路中的噪聲源。

如果噪聲源是箝位電容，可以用一個(gè)金屬膜電容將其徹底替換，或者嘗試使用介質(zhì)材料不同的陶瓷電容。另一個(gè)方法是，更換正在使用的箝位電容，例如，將其更換為穩(wěn)壓管箝位電路。如果噪聲問題源自緩沖電容，可以用一個(gè)金屬膜電容將其替換，也可以提高串聯(lián)電阻的值，以降低電容上的dV/dt噪聲。您也可以改用其它介質(zhì)的陶瓷電容，看噪聲能否降低。

圖1：修復(fù)高噪聲箝位電容的方法

如果噪聲問題存在于陶瓷輸出電容，可以嘗試許多不同的策略來解決。其中一個(gè)方法是，嘗試換用電解電容或換用其他介質(zhì)材料的電容。或者，可以用多個(gè)并聯(lián)陶瓷電容來替換問題電容。每個(gè)電容尺寸的減小將使其表面積相應(yīng)減小，從而改變電容的機(jī)械共振。

管理變壓器磁芯噪聲

另一方面，變壓器磁芯產(chǎn)生的噪聲通常由磁致伸縮造成，它類似于逆向壓電效應(yīng)。當(dāng)受到磁場影響時(shí)，許多鐵磁材料都會(huì)改變形狀。隨著變壓器磁芯中磁場的變化，此類材料會(huì)使磁芯發(fā)生物理振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到變壓器的機(jī)械共振頻率時(shí)，振動(dòng)就會(huì)被放大，并造成更大的音頻噪聲。在交流電氣設(shè)備(如使用60 Hz外加磁場的變壓器)中，最大長度變化每周期出現(xiàn)兩次，從而產(chǎn)生熟悉的120 Hz噪聲。

如果您的設(shè)計(jì)出現(xiàn)這種問題，在開始排查原因之前首先要確保它不是由設(shè)計(jì)不當(dāng)引起。首先，確認(rèn)所提供的輸入電壓和輸出負(fù)載符合設(shè)計(jì)規(guī)格。如果電源的工作電壓低于指定的最低輸入電壓，或高于指定的輸出負(fù)載，那么部分交流周期將會(huì)失去穩(wěn)壓，這樣會(huì)造成磁芯中的磁通量增大并產(chǎn)生噪聲。

如果輸入電壓和負(fù)載處于規(guī)格范圍之內(nèi)，接下來檢驗(yàn)輸入大容量電容的值是否正確。如果輸入電容相對于應(yīng)用而言過小，直流總線電壓將在交流刷新周期之間大幅降低，造成部分輸入的交流周期失去穩(wěn)壓。

變壓器中包含多種可活動(dòng)元件，如線圈、隔離膠帶和骨架，它們使變壓器成為了常見的噪聲源。線圈中電流可產(chǎn)生電磁場，電磁場會(huì)產(chǎn)生令許多變壓器元件出現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)的力。減小變壓器元件物理移動(dòng)的最有效方法是使用粘合材料或涂漆。例如，用清漆浸漬磁芯是一種廣泛使用的方法，用來防止磁芯隨骨架進(jìn)行振動(dòng)。雖然供應(yīng)商提供了眾多涂漆技術(shù)，但我們推薦使用清漆浸漬技術(shù)，而不是真空浸漬，這是因?yàn)檎婵战n會(huì)大幅提高繞組電容，從而降低效率并使EMI增大。

如果您的設(shè)計(jì)需要使用長磁芯型變壓器，則可以采用的另一個(gè)策略是使用標(biāo)準(zhǔn)磁芯長度。長磁芯產(chǎn)品(如EEL型變壓器和EERL型變壓器)都具有極低的機(jī)械諧振頻率。這種低諧振頻率容易增大音頻噪聲。采用諧振頻率較高的標(biāo)準(zhǔn)磁芯長度可以緩解該問題。但務(wù)必要注意，如果改用較短的標(biāo)準(zhǔn)磁芯，則必須使用更大的磁芯尺寸，才能提供足夠的繞組窗口面積。

處理脈沖束流

脈沖束流是另一個(gè)潛在的噪聲源。當(dāng)設(shè)計(jì)中的傳導(dǎo)電流脈沖聚集在一起，然后出現(xiàn)更多數(shù)量的跳脈沖時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)脈沖束流現(xiàn)象。脈沖聚集會(huì)在開關(guān)模式中產(chǎn)生頻率分量，它們通常都在聽覺范圍內(nèi)。脈沖束流在采用開/關(guān)控制模式的電源中最為常見。

為確定您的設(shè)計(jì)中是否存在這種現(xiàn)象，請斷開MOSFET漏極走線，然后插入一個(gè)電流環(huán)，以監(jiān)測漏極電流的開關(guān)模式。

電源在正常負(fù)載下工作時(shí)，使用一個(gè)電流探針和一個(gè)示波器抓取在一個(gè)寬時(shí)間量程內(nèi)的一組漏極開關(guān)脈沖。下圖對顯示脈沖束流的波形與具有正常開關(guān)模式的波形進(jìn)行了比較。如果看到類似于左圖的脈沖 – 一行出現(xiàn)大量脈沖，接著是兩個(gè)或更多跳脈沖，就說明您的設(shè)計(jì)可能存在這種問題。

圖2：存在脈沖束流(左)的電路波形與具有正常開關(guān)模式(右)的電路波形之比較

通常，脈沖束流現(xiàn)象表示反饋電路過慢，導(dǎo)致控制器響應(yīng)滯后。診斷此問題時(shí)，可以先確認(rèn)反饋電路中的所有元件值是否都與設(shè)計(jì)中指定的值相符。一個(gè)可以嘗試的解決方案是，在設(shè)計(jì)中采用D型光耦器。D型光耦器具有比標(biāo)準(zhǔn)光耦器更高的增益。另一個(gè)策略是，添加一個(gè)反饋環(huán)路加速電路，以縮短響應(yīng)時(shí)間。該電路將能確保光耦晶體管始終在有源區(qū)工作，這樣可以防止它發(fā)生飽和，并提高響應(yīng)速度。

圖3：反饋環(huán)路加速電路

結(jié)論

雖然反激式電源中的音頻噪聲源多種多樣，但最常見的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;往往是陶瓷電容或鐵氧體變壓器磁芯。如果您測試發(fā)現(xiàn)電源中存在明顯的噪聲，則可以試用本文所介紹的應(yīng)對策略。在多數(shù)情況下，您都可以快速找到故障元件并解決噪聲問題。 音頻噪聲,反激式電源