電子產品中開關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!
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
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:
測試過大的電感尖峰電流
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:
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!