电源@@轻载啸叫问题及实例@@@@

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文章来源@@:硬件十万个为什么@@

一@@、啸叫的@@定义@@

啸叫其实是一@@种干扰现象@@,因@@其频率刚好在人的@@听觉范围@@之内而产生的@@一@@种较为尖锐的@@声音@@。有些电源@@在轻载场景下@@,往往会由@@PWM模式@@转换@@为@@PFM模式@@,此时@@电源@@的@@开关频率会下降@@。例如电脑的@@@@Vsb(standby电源@@)节能电源@@的@@空载啸叫一@@般是由@@Vsb部分产生的@@@@,一@@些小功率的@@电源@@适配器也存在此问题@@,其线路一@@般采用单端反激@@PWM电路设计@@。本文讨论的@@啸叫一@@般表现是@@:电源@@在完全空载的@@情况下@@,耳朵可以听到尖锐的@@啸叫@@,如果增加负载@@,啸叫声会随之消失@@,直到满载都不会出现啸叫@@。

二@@、人耳能听到的@@声音频率的@@范围@@@@

通常情况下@@,人耳能听到的@@声音的@@频率为@@20Hz~20KHz,其中最敏感的@@频率是@@2KHz~3KHz,受过专门训练的@@人可能超过@@20KHz。不同人的@@听觉是有差异的@@@@,同一@@个发出啸叫的@@电源@@@@,不同的@@人去听@@,其听到的@@结果一@@定是不同的@@@@,同一@@人的@@听觉也会随着年龄而衰退@@,老年人能听到的@@频率约为@@50Hz~12000Hz,所以有好多老年人听力差@@,甚至@@耳聋@@。

人们在听到啸叫时@@@@,往往第一@@感觉就是可怕@@,有一@@种恐惧心理@@,认为可能存在一@@种潜在危机@@,不知哪一@@天会爆发出来@@,造成不可弥补的@@损失甚至@@有对人身安全造成危害@@,其实节能电源@@的@@啸叫并没有这么可怕@@,如果了解到其产生的@@原因@@及实际使用中会不会有啸叫@@,就觉得并没有那么可怕@@。

三@@、开关电源@@@@电路啸叫的@@原因@@@@@@

稳压电源@@电路输出的@@开关电流的@@频率@@,或周期性脉冲群的@@周期频率@@,或毛刺的@@周期频率落入@@20~20kHz的@@音频范围@@@@,且周期性变化的@@电流经过电感线圈而产生交变磁场@@,使得该电感线圈在交变磁场作用下像@@“喇叭@@”一@@样在几乎固定的@@频率上产生机械振动而发出啸叫@@。

啸叫声音的@@大小与电感绕制的@@质量有一@@定关系@@,绕制较松@@,其产生的@@啸叫声将较大@@。

引起@@DC/DC电路电感啸叫的@@因@@素@@

1、负载电流过大@@。DC/DC芯片内部有一@@个限流保护电路@@,当负载超过@@IC内部的@@开关@@MOS管的@@最大电流时@@@@,限流电路检测电路就会调整芯片内部的@@占空比@@,或者停止工作@@,直到检测负载电流在标准范围@@内@@时@@@@,再重新启动正常的@@工作开关@@。

如果从停止开关@@到重启开关的@@时@@间周期正好是@@20~20kHz的@@频率范围@@内@@@@,就会导致电感的@@的@@震动频率被人听到@@。

2、负载电压过高@@。如果负载为空或轻负载@@,就会触发过压保护@@,停止开关@@,如果电压降下来@@,就会重启工作@@,从停止到重启的@@时@@间容易落在音频范围@@内@@@@。

3、电路产生自激@@。电源@@电路在设计时@@@@,稳定性不够@@,当负载产生变化时@@@@,容易自激@@,当自激的@@频率在音频范围@@内@@@@,将引起@@啸叫@@。

4、穿越频率落在@@20~20kHz的@@频率范围@@内@@@@。穿越频率通常为开关频率的@@@@1/5至@@1/20,设计时@@需要撇开音频的@@频率范围@@@@,否则@@,将无法解决啸叫问题@@。

5、开关切换@@过冲较大@@。DC/DC上管和@@下管切换@@的@@过程中@@,由于寄生电容@@、寄生电感的@@存在@@,将在上管开启的@@瞬间产生过冲@@,且幅度较大@@,导致在电感上施加周期性的@@过冲电压@@,从而引起@@啸叫声变大@@。

6、在我们使用一@@些具备@@轻载切换@@调制模式@@的@@开关电源@@@@控制的@@使用过程中@@,发现@@,以上的@@原因@@都不存在的@@情况下@@。还是会产生啸叫@@!

换@@N多电感都无济于事@@!

四@@、节能电源@@啸叫的@@原@@因@@

      为了满足节能以及环保的@@需求@@,针对不同用途与不同的@@功耗范围@@@@,全球许多政府及能源机构的@@各种新的@@能耗标准纷纷出台@@,降低能耗成为了一@@项无法回避的@@重要议题@@,计算机生产企业对电源@@能耗也提出了更高的@@要求@@,对于开关式电源@@@@,降低待机能耗显得非常重要@@,因@@此许多电源@@生产企业采用了新的@@节能芯片代替原来的@@高能耗芯片@@。

    节能芯片本身可以通过检测电路工作状态@@,在空载@@或轻载情况下自动调节@@开关频率@@,减少开关次数@@,从而降低能量的@@损耗而达到节能的@@效果@@,如下图@@(电源@@正常工作频率几十千赫到几百千赫@@):

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开关电源@@@@是工作在高频开关的@@状态@@,其频率范围@@一@@般在几十千赫到几百千赫@@,在高频开关中会产生一@@些干扰@@。没有任何声音的@@电源@@也一@@直存在这些干扰@@,只是频率不在人的@@听觉范围@@之内@@,人的@@耳朵是无法听到的@@@@。

但是@@,现在随着节能减排的@@要求@@、移动设备@@的@@极大丰富@@。为了实现节能的@@要求@@,保持在低负载情况下高转换@@效率@@,PWM芯片具备@@切换@@@@PFM的@@功能@@,在空载@@、轻载下其频率范围@@降低到了@@人的@@听觉范围@@之内@@,如果不采用其他抑制方法@@,人所能听到的@@啸叫问题是存在的@@@@。再者为了达到节能的@@目的@@@@,电路中往往不能焊接负载电阻@@(增加电阻之后@@,增加电源@@的@@输出功率@@),就更容易造成啸叫的@@问题@@。

五@@、实例@@

下图所示的@@@@DC/DC降压电路图@@为例@@,来说明如何解决电感的@@啸叫问题@@。

降压电路图@@

不同型号的@@@@DCDC电源@@芯片的@@开关频率不同@@。即使同样的@@外围电路@@,振荡频率也可能有差别@@,输出脉冲也有差异@@。如图所示是@@MP4420芯片的@@典型电路@@。R149和@@R150为反馈电阻@@,调节@@R149和@@R150的@@值@@@@,可以调整输出电压@@VO,VO=0.792*(1+R149/R150)。

L2为输出电感@@,L2电感量越大@@,则输出纹波越小@@@@@@,纹波的@@大小还会影响到输出电压调整的@@灵敏度@@。纹波越小@@@@,灵敏度越高@@,输出电压越稳定@@。L2电感量越小@@@@,纹波越大@@,输出灵敏度越低@@,输出电压稳定度降低@@。

C222为输出电容@@,C222的@@ESR越小@@,则允许流经电容的@@纹波电流越大@@,保证电容使用寿命的@@同时@@@@,纹波电压也越小@@@@。另外@@,电容的@@容量越大@@,纹波电压也越小@@@@。

(1)啸叫的@@原因@@@@。

当电感线圈@@L2的@@振动频率落入音频范围@@@@(20Hz~20kHz)时@@,就会产生啸叫@@。MP4220的@@输出稳压是以@@PWM方式实现的@@@@,当电路负载较小时@@@@,输出方波脉宽变窄@@,即占空比变小@@。当电路负载小于某个数值@@时@@@@,无法继续调整占空比@@。为了实现输出稳压@@,不同的@@芯片采用的@@方案不同@@:有的@@芯片通过降低开关频率来实现@@;有的@@芯片通过周期性的@@丢弃一@@些脉冲来实现@@。不管是降开关低频率还是周期性丢弃脉冲@@,如果调整后的@@开关电流的@@频率落入音频范围@@@@,就会产生啸叫@@。

(2)啸叫的@@解决方法@@。

解决啸叫问题的@@方法就是避免开关频率落在@@20Hz~20kHz范围@@内@@。方法有多种@@,具体如下@@。

①可以在@@EN管脚外接一@@个时@@钟源来控制使能@@,改变电源@@开关频率@@,避免开关电流频率落入音频范围@@@@,从而避免电感的@@啸叫@@。

②改善电感@@L2的@@工艺@@(如灌胶或增加浸漆工序等@@),减小振动@@。

③在纹波允许范围@@内@@@@,适当加大纹波幅度@@。如果需要@@,可以多加一@@级滤波@@。

3)实际测试开关电源@@@@电路波形@@。

实测电路图和@@波形如图所示@@

03

04

MP4220在低负载的@@场景下进入了@@“节能模式@@@@”,开关频率从@@410kHz降低到了@@138kHz。如果进一@@步降低负载@@,开关频率落入@@20Hz~20kHz范围@@,电感就会产生啸叫@@@@。

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