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开关电源有“声音”?原来可以这样解决!

来源:admin      发布时间:2019-05-21     
       凡是做过开发工作的人员都有这样的经历,测试开关电源或在实验中有听到类似产品打高压不良的漏电声响或高压拉弧的声音不请自来:其声响或大或小,或时有时无;其韵律或深沉或刺耳,或变化无常者皆有。


  音频噪声一般指开关电源自身在工作的过程中产生的,能被人耳听到频率为20-20kHz的音频信号。电子和磁性元件的振荡频率在人耳听觉范围内时,会产生能听见的信号.这种现象在电力变换研究初期已为人知.以50和60Hz工频工作的变压器常常产生讨厌的交流噪声.如果负载以音频元件调制,以恒定超声频率工作的开关功率转换器也会产生音频噪声.


  低功率电平时,音频信号通常与转换器无关.但是,设计人员可能希望降低其电路的声波发射.低功率AC-DC转换器中,将50或60Hz变压器的铁心薄片焊接在一起,能使交流噪声降至容许的水平.高频开关转换器中的铁氧体变压器也采用了类似的技木.


  过去常用高级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,但人类对声音的感觉是很主观的.很难说多大的声音是能听到的,更难以确定的是在特定应用中多大的声音会被认为是难以忍受的噪声.


  声波辐射与电磁辐射相似,但没有用于衡量听觉容忍度的通用基准.因此,设计者可以依据以下方针来处理与音频噪声相关的问题,减少产品的声音辐射.


  电源音频噪声的产生与抑制方法


  一:变压器产生的音频噪声


  在大多数反激式转换器应用中,变压器是主要的音频噪声源.试验板上第一个变压器原型产生的噪声往往令人吃惊.采用众所周知的恰当的结构技巧将基本上消除噪声而不增加额外的费用.在装配原型变压器时要注意成品性能的可重复性.


 


  有一些机制会产生变压器噪声,每种都会产生发出声音的机械位移.这些机制包括:


  相对运动—磁芯两部分间的吸引力使其移动,压迫将其分隔的介质.


  撞击—如果两块磁芯的表面能接触,它们响应磁通激励而移动会使二者碰撞或刮擦.


  弯曲—仅在EE或EI结构的磁芯中间腿存在的裂隙,可使磁芯各部分沿其间吸引力的方向


  磁致伸缩—磁芯材料的尺寸随磁通密度变化.普通功率的铁氧体的变化率小于1ppm.


  骨架移动—磁芯片的位移可通过骨架传送和放大.


  线圈移动—线圈中的电流产生移动这些导线的吸引力和排斥力.


  移动源共同作用,形成了复杂的机械系统,它能在人耳听力范围内的一个或几个频点上,产生强烈的共振.10W以下离线反激式转换器常用的结构一般产生10k Hz到 20k Hz的共振.当磁通激励的基频或其谐波经过机械共振区域时,移动发出声音.设计者应全程变换负载以检验音频噪声,特别是需要动态负载时.


  这些机制产生噪声的大小根据各自所处的不同位置决定.幸运的是,设计者可以应用简单的结构技术来有效衰减各种机制产生的音频噪声.


  以下简单讲解能有效衰减各种机制产生的音频噪声的常见方法。


  首先变压器要采用均匀浸渍,从而能有效填充线圈与线圈之间、线圈与骨架之间、骨架与磁芯之间的固有空隙,降低活动部件发生位移的可能性,必要时可以再磁性元件与线路板接触面填充白胶或喷涂三防漆,进一步减小机械振动的空间,有效降低噪声。


  在条件允许的情况下尽量降低峰值磁通密度,要充分考虑高温时的饱和磁通密度,留足够余量防止工作曲线进入非线性区,可以有效降低变压器的音频噪声,有实验证明峰值磁通密度从3000高斯降为2000高斯即可将发出的噪音降低5 dB到15dB。


  条件允许可以使用非晶、超微晶合金等软磁材料,它们的磁均匀一致性远比一般铁氧体好得多,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均会变形,这种电致伸缩效应与电场强度的平方成正比.有些绝缘介质还呈现压电效应,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途径.


  廉价的小陶瓷电容中的非线性绝缘材料通常含有大比例的钛酸钡,在正常工作温度下产生压电效应.因而,这些元件会比线性绝缘成份的电容产生更多的噪声.开关电源中,电压偏移最大的箝位电路中的电容最有可能产生音频噪声.


  通常为了抑制电磁干扰和减小器件电压应力,开关电源一般采用RC、RCD等吸收电路,吸收电容常常选用高压陶瓷电容,而高压陶瓷电容是由非线性电介质钛酸钡等材料制成,电致伸缩效应比较明显,在周期性尖峰电压的作用下,电介质不断发生形变从而产生音频噪声。


 


  电容噪声的一般解决方法


  解决的方法是把吸收回路用的高压陶瓷电容换成电致伸缩效应很小的聚脂薄膜电容,这样可以基本消除电容产生的噪声。


  要确定陶瓷电容是否主要噪声源,可以用不同绝缘体的电容来替换.薄膜电容是性价比不错的替代品.但应注意替换品是否能经受得住反复的尖峰电流和电压应力.


  另一种具有价格竞争力的选择是用齐纳箝位电路来替代RCD箝位电路.齐纳箝位的价格已与RCD箝位的相当,但占用的空间小得多而效率更高.



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