【導(dǎo)讀】現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求由效率驅(qū)動(dòng)，這不僅包括滿(mǎn)載條件下的效率，還包含斷開(kāi)電纜連接時(shí)睡眠模式或空載條件下的效率。無(wú)論何種電源負(fù)載，電源系統(tǒng)集成商都必須滿(mǎn)足能源之星、80 Plus以及歐盟委員會(huì)的CoC等新規(guī)范。
要滿(mǎn)足這些要求，電源必須將開(kāi)關(guān)頻率降至20kHz以下，有時(shí)甚至低至幾kHz。由于人耳可以聽(tīng)到低于20kHz的聲音頻率（而且在2kHz至5kHz之間最敏感），因此很難避免出現(xiàn)音頻噪聲。對(duì)于消費(fèi)者應(yīng)用而言尤其如此，例如所有客廳中都有電話(huà)或筆記本電腦充電器，或者LED驅(qū)動(dòng)器，如果產(chǎn)生噪聲，那將是非常煩擾的事情。
電源噪聲的起因
對(duì)音頻噪聲最敏感的電源組件通常是MLC陶瓷電容器、電感器或變壓器。電感器和變壓器等磁性組件在一定頻率下會(huì)受高壓脈沖應(yīng)力的影響，導(dǎo)致物理效應(yīng)，例如線(xiàn)圈上的反向壓電效應(yīng)或鐵芯上的磁致伸縮。
反向壓電效應(yīng)和磁致伸縮是將施加的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械力的作用機(jī)制。這種機(jī)械力使線(xiàn)圈或鐵芯振動(dòng)，從而使其周?chē)目諝庖莆徊⒈憩F(xiàn)為聲波。由于這些振動(dòng)會(huì)在諧振頻率上被放大多倍，因此說(shuō)到底，我們要設(shè)法解決的是這些電源組件產(chǎn)生的機(jī)械自諧振頻率（SRF）。
首先，我們需要測(cè)量機(jī)械SRF以查看其是否在音頻噪聲范圍內(nèi)。如果是，則找出諧振的來(lái)源。最后，在設(shè)計(jì)階段選擇合適的電氣參數(shù)以限制開(kāi)關(guān)頻率的范圍。通過(guò)避免機(jī)械SRF，從而較輕松地降低噪聲。
機(jī)械自諧振
機(jī)械自諧振現(xiàn)象已經(jīng)有模型可以識(shí)別，并已定義了可用的控件。其中，胡克定律是較為特殊的一種模型。圖1顯示了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的方程式。該系統(tǒng)類(lèi)似于電感器的螺旋線(xiàn)圈以及焊接了磁性組件的PCB組件的質(zhì)量。
圖1: PCB組件上的胡克定律應(yīng)用
如上圖所示，紅球的質(zhì)量（m）與PCB組件的質(zhì)量相同。位移（x）由反向壓電效應(yīng)或磁致伸縮力引起。施加的力與PCB板重量之間的關(guān)系可以用一個(gè)二階微分方程來(lái)完美表述（見(jiàn)圖2）。
圖2：用微分方程表述胡克定律
因此，該質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的諧振頻率可以用公式（1）來(lái)計(jì)算： $$f_{R}=frac {1}{2pi} sqrt frac{k}{m} $$ 其中k是彈簧的剛度常數(shù)，m是質(zhì)量。
實(shí)驗(yàn)裝置
在實(shí)驗(yàn)中，我們采用MPS的MP174A作為電源變換器，MP174A是一款頻率可調(diào)的恒定峰值電流調(diào)節(jié)器。使用該器件，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)隨著負(fù)載電流和輸出功率的變化而成比例地變化，從而保持穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。
圖3顯示的實(shí)驗(yàn)室裝置可用于測(cè)量鼓芯電感器產(chǎn)生的音頻噪聲，并找到其機(jī)械自諧振頻率（SRF）。頻譜分析儀應(yīng)用程序和手機(jī)上的麥克風(fēng)則用于測(cè)量聲音。手機(jī)始終放置在距電感器5厘米處。改變變換器上的負(fù)載電流以?huà)呙璨煌拈_(kāi)關(guān)頻率，然后通過(guò)電話(huà)測(cè)量產(chǎn)生的聲音。
圖3: 實(shí)驗(yàn)裝置
示波器可以在不同的負(fù)載電流下測(cè)量開(kāi)關(guān)頻率，這樣，就可以在每種負(fù)載電流下測(cè)量聲音。示波器波形與在每個(gè)負(fù)載電流下用手機(jī)測(cè)得的頻率峰值相匹配。負(fù)載電流可在10％至80％之間變化。高于滿(mǎn)載80％不做測(cè)量，因?yàn)槠溟_(kāi)關(guān)頻率已超出了可聞范圍（> 20kHz）。
圖4顯示了在其中一種負(fù)載電流下捕獲的波形。13.16kHz的頻率與該應(yīng)用程序產(chǎn)生的頻譜相匹配，該應(yīng)用程序捕獲到了鼓芯電感器在13.242kHz頻率下的聲音峰值。
圖4: 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形
音頻噪聲頻譜
音頻噪聲由手機(jī)中的麥克風(fēng)記錄下來(lái)。然后，使用安裝在手機(jī)上的頻譜分析應(yīng)用程序繪制所有噪聲頻率及其各自的分貝級(jí)別（以dB為單位，用來(lái)測(cè)量音量）。
圖形分析
由于開(kāi)關(guān)波形和頻譜分析應(yīng)用程序測(cè)得的音頻噪聲之間的相關(guān)性，音頻噪聲頻率與開(kāi)關(guān)頻率相同（參見(jiàn)圖5）。但在12.4kHz的開(kāi)關(guān)頻率下，我們觀察到了噪聲峰值。
圖5: 音頻頻譜
該峰值表明在輸出功率為1W時(shí)，噪聲幅度增加了10dB。其產(chǎn)生歸因于電感器的機(jī)械自諧振頻率。通過(guò)避免采用11kHz至13kHz之間的切換頻率可以緩解此噪聲峰值。我們可以將峰值電流線(xiàn)性減小，而不是像MP174A那樣保持其恒定，同時(shí)將最小恒定開(kāi)關(guān)頻率保持在13kHz，以避免噪聲達(dá)到峰值。然后，當(dāng)輸出功率降至1W以下時(shí)，峰值電流保持恒定，并且開(kāi)關(guān)頻率可以從11kHz線(xiàn)性降低至更低的頻率。
圖6: 噪聲（dB）和功率（W） vs. 頻率
解決方案
本文詳細(xì)介紹的控制策略可以進(jìn)行修改，如跳過(guò)某些過(guò)于接近磁性元件機(jī)械SRF的開(kāi)關(guān)頻率。設(shè)計(jì)磁性元件時(shí)，可以采用超過(guò)20kHz的諧振頻率，或遠(yuǎn)低于所需最小開(kāi)關(guān)頻率的諧振頻率，以在整個(gè)輸出功率范圍內(nèi)保持符合規(guī)范。人耳在2kHz至5kHz頻率之間最為敏感；改變繞組的剛度常數(shù)也能改變諧振頻率。
改變諧振頻率的一種方法是減小繞組線(xiàn)的張力。在連接至變壓器引腳的繞組線(xiàn)上加一個(gè)套管來(lái)釋放繞組線(xiàn)的應(yīng)力，也可以降低其剛度常數(shù)。
采用具有較高峰值電流變量的開(kāi)關(guān)電源，可提供不同范圍的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)避開(kāi)其自諧振頻率，這可以解決音頻噪聲問(wèn)題。改變磁性組件的外形或其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以幫助降低音頻噪聲，因?yàn)槟骋活?lèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)的SRF可以避開(kāi)開(kāi)關(guān)頻率范圍，比如，加磁芯屏蔽或不加磁芯屏蔽，亦或是不同制造商制造的相同感值的組件。
結(jié)論
解決電源音頻噪聲有多種方案，例如改變控制策略以避開(kāi)特定頻率或更改峰值電流都可以降低音頻噪聲。改變磁性設(shè)計(jì)以改變剛度常數(shù)、電路板重量或線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)也可以減輕噪聲。采用一種方法，或幾種方法一起使用，都可以消除或最小化電源中的音頻噪聲。
來(lái)源：MPS
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