電源音頻噪聲

現(xiàn)代開關(guān)電源的設(shè)計要求由效率驅(qū)動，這不僅包括滿載條件下的效率，還包含斷開電纜連接時睡眠模式或空載條件下的效率。無論何種電源負(fù)載，電源系統(tǒng)集成商都必須滿足能源之星、80 Plus以及歐盟委員會的CoC等新規(guī)范。

要滿足這些要求，電源必須將開關(guān)頻率降至20kHz以下，有時甚至低至幾kHz。由于人耳可以聽到低于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或筆記本電腦充電器，或者LED驅(qū)動器，如果產(chǎn)生噪聲，那將是非常煩擾的事情。

對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受高壓脈沖應(yīng)力的影響，導(dǎo)致物理效應(yīng)，例如線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)械力使線圈或鐵芯振動，從而使其周圍的空氣移位并表現(xiàn)為聲波。由于這些振動會在諧振頻率上被放大多倍，因此說到底，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，則找出諧振的來源。最后，在設(shè)計階段選擇合適的電氣參數(shù)以限制開關(guān)頻率的范圍。通過避免機(jī)械SRF，從而較輕松地降低噪聲。

機(jī)械自諧振現(xiàn)象已經(jīng)有模型可以識別，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)類似于電感器的螺旋線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)系可以用一個二階微分方程來完美表述（見圖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）來計算：

fR=12π√kmfR=12πkm

其中k是彈簧的剛度常數(shù)，m是質(zhì)量。

在實驗中，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，開關(guān)頻率會隨著負(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顯示的實驗室裝置可用于測量鼓芯電感器產(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)載電流以掃描不同的開關(guān)頻率，然后通過電話測量產(chǎn)生的聲音。

圖3: 實驗裝置

示波器可以在不同的負(fù)載電流下測量開關(guān)頻率，這樣，就可以在每種負(fù)載電流下測量聲音。示波器波形與在每個負(fù)載電流下用手機(jī)測得的頻率峰值相匹配。負(fù)載電流可在10％至80％之間變化。高于滿載80％不做測量，因為其開關(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: 開關(guān)節(jié)點波形

音頻噪聲由手機(jī)中的麥克風(fēng)記錄下來。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別（以dB為單位，用來測量音量）。

由于開關(guān)波形和頻譜分析應(yīng)用程序測得的音頻噪聲之間的相關(guān)性，音頻噪聲頻率與開關(guān)頻率相同（參見圖5）。但在12.4kHz的開關(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，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性減小，而不是像MP174A那樣保持其恒定，同時將最小恒定開關(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，峰值電流保持恒定，并且開關(guān)頻率可以從11kHz線性降低至更低的頻率。

圖6: 噪聲（dB）和功率（W） vs. 頻率

本文詳細(xì)介紹的控制策略可以進(jìn)行修改，如跳過某些過于接近磁性元件機(jī)械SRF的開關(guān)頻率。設(shè)計磁性元件時，可以采用超過20kHz的諧振頻率，或遠(yuǎn)低于所需最小開關(guān)頻率的諧振頻率，以在整個輸出功率范圍內(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的張力。在連接至變壓器引腳的繞組線上加一個套管來釋放繞組線的應(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關(guān)電源，可提供不同范圍的開關(guān)頻率來避開其自諧振頻率，這可以解決音頻噪聲問題。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，因為某一類機(jī)械結(jié)構(gòu)的SRF可以避開開關(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。

解決電源音頻噪聲有多種方案，例如改變控制策略以避開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)計以改變剛度常數(shù)、電路板重量或線圈結(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。