声音开关 开关电源有“声音”？原来可以这样解决！

做过开发工作的都有这样的经历。在实验中测试开关电源或听到同类产品高压漏电或高压拉弧的声音时，声音是不请自来的:或大或小，或有时无；它的节奏要么深沉要么刺耳要么多变。

音频噪声一般是指开关电源在工作过程中产生的频率为20-20Hz的音频信号。当电子和磁性元件的振荡频率在人耳的听觉范围内时，就会产生可听信号。这种现象在功率转换研究的早期阶段就已经知道了。在50和60Hz电源频率下运行的变压器通常会产生令人讨厌的交流噪声。如果负载由音频组件调制，以恒定超声波频率工作的开关电源转换器也会产生音频噪声。

在低功率水平下，音频信号通常与转换器无关。然而，设计者可能希望减少其电路的声发射。在低功率交流-DC变换器中，50或60Hz变压器的铁芯片被焊接在一起，这可以将交流噪声降低到允许的水平。类似的技术也用于高频开关转换器中的铁氧体变压器。

在过去，人们经常使用先进的音频工程设备来研究开关电源的声波辐射。这种装置可以非常精确地测量绝对声压级和声谱，但人类是主观感受声音的。很难说能听到多少声音，更难以确定在具体应用中有多少声音可以被认为是无法忍受的噪音。

声辐射与电磁辐射相似，但没有测量听力耐受度的通用基准。因此，设计师可以根据以下准则处理与音频噪声相关的问题，以减少产品的声辐射。

电力音频噪声的产生和抑制

1.变压器产生的音频噪声

在大多数反激式转换器应用中，变压器是音频噪声的主要来源。测试板上第一个变压器原型产生的噪声往往令人惊讶。众所周知的适当的结构技巧将基本消除噪音，而不会增加额外的成本。组装原型变压器时，应注意成品性能的可重复性。

网络映射

有一些机制可以产生变压器噪声，每一个都可以产生机械位移，从而发出声音。这些机制包括:

相对运动——磁芯两部分之间的吸引力使它移动，挤压分离它的介质。

冲击——如果两个磁芯的表面接触，它们在磁通量激励下的运动将导致它们碰撞或擦伤。

弯曲——裂纹只存在于EE或EI结构的核心的中间腿，它可以使核心的每个部分在它们之间的吸引力方向上

磁致伸缩——磁芯材料的尺寸随着磁通量密度而变化。普通功率铁氧体变化率小于1ppm。

骨骼运动——磁性芯片的位移可以通过骨骼传递和放大。

线圈运动——线圈中的电流产生吸引力和排斥力来移动这些导线。

移动的声源共同作用，形成一个复杂的机械系统，可以在人耳听觉范围内的一个或几个频率点产生强烈的共振。10W以下的离线反激变换器常用结构一般会产生10k Hz到20k Hz的谐振。当磁通量激发的基频或其谐波通过机械共振区时，就运动发声。设计人员应始终改变负载，以检查音频噪声，尤其是在需要动态负载时。

这些机构产生的噪音取决于它们的不同位置。幸运的是，设计人员可以使用简单的结构技术来有效地衰减各种机制产生的音频噪声。

以下是对可以有效衰减各种机制产生的音频噪声的常用方法的简要说明。

首先要将变压器浸泡均匀，有效填充线圈、线圈与骨架、骨架与磁芯之间固有的空间隙，减少运动部件位移的可能性。如有必要，磁性元件与电路板的接触面可填充白胶或喷涂三防漆，进一步减小机械振动的空间隙，有效降低噪音。

在条件允许的情况下，应尽可能降低峰值磁通密度，充分考虑高温下的饱和磁通密度，并留有足够的余量，防止工作曲线进入非线性区域，可有效降低变压器的音频噪声。实验证明，峰值磁通密度可以从3000高斯降低到2000高斯，噪声可以降低5 dB到15dB。

条件允许使用软磁材料，如非晶和超微晶合金。它们的磁均匀性比普通铁氧体好得多，磁致伸缩效应趋于零，因此对应力不敏感。

二:电容产生的音频噪声

所有的绝缘材料在电场的压力下都会变形，这种电致伸缩效应与电场强度的平方成正比。一些绝缘介质还表现出压电效应，即与电场强度成正比的线性位移。压电效应通常是电容产生噪声的主要方式。

廉价小型陶瓷电容器中的非线性绝缘材料通常含有较大比例的钛酸钡，在正常工作温度下会产生压电效应。因此，这些元件会比具有线性绝缘元件的电容器产生更多的噪声。在开关电源中，箝位电路中电压偏移最大的电容最有可能产生音频噪声。

一般为了抑制电磁干扰，降低器件的电压应力，开关电源一般采用RC、RCD等吸收电路，吸收电容往往采用高压陶瓷电容，采用非线性介质钛酸钡等材料制成，电致伸缩效应明显。在周期性峰值电压的作用下，电介质不断变形，产生音频噪声。

网络映射

电容噪声的通解

解决办法是用电致伸缩效应很小的聚酯薄膜电容器代替吸收电路中使用的高压陶瓷电容器，可以基本消除电容器产生的噪声。

为了确定陶瓷电容器是否是主要噪声源，可以用不同绝缘体的电容器来代替。薄膜电容器是一种性价比较高的替代品，但要注意更换后能否承受反复的峰值电流和电压应力。

价格有竞争力的另一种选择是用齐纳箝位电路代替RCD箝位电路。齐纳箝位的价格和RCD箝位相当，但是占用空少很多，效率更高。

3.电路振荡产生的音频噪声

当电源工作过程中出现间歇振荡时，会引起线圈铁芯的间歇振动。当振荡频率接近绕组变压器的自然振荡频率时，容易产生共振现象，此时会产生人耳能听到的音频噪声。

电路振荡的原因有很多，下面简单解释一下:

1.不当1:印刷电路板设计

a)大功率大电流接地线与控制电路的接地线共用一条路线。因为印刷电路板上的铜线不是理想的导体，所以它总是相当于电感或电阻。当电源电流流经与信号控制电路共用的印刷电路板导线时，印刷电路板上会出现电压降。特别是采用多点接地时，由于控制电路的节点分散在不同的位置，电源电流引起的压降会干扰控制电路，使电路产生噪声。这个问题通常可以通过单点接地来改善。

b)芯片的VCC电源布线过长或过于靠近高dt/di大电流布线，可通过在芯片的VCC引脚附近增加一个104陶瓷去耦电容来改善。

c)参考稳压ICTL431的接地线故障，同一个二次参考稳压IC的接地和一次IC的接地有类似的要求，即不能直接与变压器冷热地相连。如果它们连接在一起，承载能力会降低，啸声与输出功率成正比。当输出负载较大，接近电源功率极限时，开关变压器可能进入不稳定状态:前一周期开关管与空的比值过大，导通时间过长，过多的能量通过高频变压器传递；DC整流储能电感的能量在这个周期内没有完全释放，通过PWM判断下一个周期不会产生导通开关管的驱动信号或者空比值太小；此后整个期间开关管都关断，或者导通时间过短；在超过一个完整的能量释放周期后，储能电感的输出电压将下降，开关管的占空比空将在下一个周期再次增加...这个周期将导致变压器以较低的频率振动(规则的间歇全截止周期或占空比急剧变化的频率)，发出人耳可以听到的较低频率的声音。同时，与正常运行相比，输出电压的波动会增加。当单位时间间歇全截止周期数达到总周期数的相当比例时，原本工作在超声频段的变压器振动频率甚至会降低，进入可听频率范围，发出尖锐的高频“哨声”。此时开关变压器工作在严重过载状态，随时都有可能烧毁——这是电源烧毁前很多“尖叫声”的由来，相信也有用户有过类似的经历。

空负载，或者负载很轻的时候，开关管可能会有间歇的全截止期，开关变压器也是在过载状态下工作，也是很危险的。为了解决这个问题，可以在输出端预设虚拟负载，但在一些“节能”或大功率电源中，这种情况仍会偶尔发生。无负载或负载过轻时，运行中变压器产生的反电动势不能很好的吸收。这样，变压器会将大量杂波信号耦合到您的1.2绕组。这种杂波信号包括许多频谱不同的交流分量。低频波也很多。当低频波与你变压器的自然振荡频率一致时，电路就会形成低频自激。变压器的磁芯不会发出声音。我们知道，人的听力范围是20 - 20KHZ。因此，在设计电路时，我们通常会添加一个频率选择环路。滤除低频成分。从您的原理图来看，您最好在反馈环路中添加一个带通电路，以防止低频自激，或者使您的开关电源具有固定的频率。

网络映射

关于印刷电路板布线的其他注意事项总结:

1号线一定要尽可能短，远离MOS管的漏极，防止噪声耦合。信号地应独立布线，并尽可能与电源地分开。光耦合器地、Vcc地和Y电容应分开，反馈引脚电容应尽可能靠近IC。

将电源和接地并联。敏感高频接线尽量远离高干扰电源接线。

加宽电源和接地走线，以降低电源线和接地线之间的阻抗。

最小化由漏极、夹具和变压器组成的回路面积

最小化由次级绕组、输出二极管和输出滤波电容组成的环路面积

增加走线之间的距离，以减少电容耦合的串扰。

2.反馈设计不当

比如带宽设置太宽，相位裕量不足，解决方法可以尝试逐个按下带宽。在一些设计中，为了提高瞬态响应，如果带宽太宽，高频干扰的打印会被削弱，因此不建议盲目增加带宽。

大功率开关电源的短路啸叫

相信大家都遇到过这种情况。开关电源满载后，突然测试电源短路，有时会听到电源的噪音；或者在设置电流保护时，电流调试到一定程度就会有啸声，啸声抑扬顿挫，非常讨厌。主要原因如下:

当输出负载较大，接近电源功率极限时，开关变压器可能进入不稳定状态:前一周期开关管与空的比值过大，导通时间过长，过多的能量通过高频变压器传递；DC整流储能电感器的能量在这个周期中没有完全释放。根据PWM判断，下一个周期没有开启开关管的驱动信号或者空比值太小。此后整个期间开关管都关断，或者导通时间过短；在超过一个完整的能量释放周期后，储能电感的输出电压将下降，开关管的占空比空将在下一个周期再次增加...这个周期会使变压器以较低的频率振动(有规律的间歇全截止周期或占空比急剧变化的频率)，发出较低频率的声音，人耳可以听到。同时，与正常运行相比，输出电压波动也会增加。当单位时间间歇全截止周期数达到总周期数的相当比例时，甚至会使原本工作在超声频段的变压器振动频率降低，进入可听频率范围，发出尖锐的高频“啸声”。此时开关变压器工作在严重过载状态，随时都有可能被烧坏——这就是很多电源烧坏之前“尖叫”的由来。相信有些用户也经历过类似的负载。空，或者负载很轻的时候，开关管可能会有间歇的全截止期，开关变压器也是在过载状态下工作，也是很危险的。

为了解决这个问题，可以在输出端预设一个虚拟负载，但在一些“节能”或高功率电源中，这种情况仍会偶尔发生。当没有负载或负载过轻时，变压器在运行过程中产生的反电动势不能很好地吸收。这样，变压器会将大量杂波信号耦合到您的1.2绕组。这种杂波信号包括许多频谱不同的交流分量。低频波也很多。当低频波与你变压器的自然振荡频率一致时，电路就会形成低频自激。变压器的磁芯不会发出声音。我们知道人的听力范围是20 - 20KHZ。因此，在设计电路时，我们通常会添加一个频率选择环路来滤除低频分量。从您的原理图来看，您最好在反馈环路中添加一个带通电路，以防止低频自激。或者让你的开关电源有固定的频率。

阶跃负载引起的音频噪声

网络映射

有些开关电源在整个负载变换测试过程中会产生音频噪声。比如在通信行业开关电源的测试标准中，动态负载定义为周期为1 ms、斜率为0.1 a/s的阶跃负载，按照25%-50%-25%和75%-50%-75%两个规律变化。以正激变换器为例，输出电感的电流由输出脉动电流和阶跃电流、脉动电流的频率和开日电源的工作频率两部分组成，阶跃电流的周期与给定阶跃负载的周期一致。当输出电容较小时，阶跃电流dt/di的变化率过高时，解决音频噪声的办法是增加输出电容。由于电源内部体积的限制，输出电容一般不可能很大。这时你也可以尝试延迟回路的反应时间，从而相应降低电流变化率，从而起到一定的抑制作用。但是需要注意的是，延迟环路的反应时间会使输出电压的过冲或下降大得多，这也是一个需要折中考虑的问题。

结束

转载是一种权力分享是一种美德

来源:网络

声明:【版权归作者所有。如果找不到作者和出处，还是希望能理解。如果原作者看到，请联系孟军认领(可以发到3173886122@qq.com，也可以直接在微信官方账号留言)，孟军会在后续文章声明中注明。如有侵权，孟军将在第一时间删除。非常感谢！】

致敬:向这篇文章的创作者致以崇高的敬意！

版权声明