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智能伺服变压器反激式电源中的噪声来源及降低方法

2018-04-27 08:24:53 德州信平电子有限公司 阅读

尽管开关电源的工作频率远超过人类的听力范围,但它们在特定的负载条件下仍会产生音频噪声。音频噪声的可能来源多种多样。噪声可以是设计缺陷(如振荡输出电压)导致,或者由电容或变压器等噪声元件导致。在有些情况下,您所听到的尖锐刺耳的噪鸣或嘶嘶声可能就像风扇在异常频率下出现的摇荡,或者由于电源靠近外部EMI源(荧光灯或电源插排)所导致。

本文将探讨反激式电源中最常见的噪声来源,并介绍可能的解决方案。下文中描述的所有操作程序都可以使用一个可程控交流电源供应器或自耦变压器和一个电子负载来完成。请记住,在有些情况下,您的电源所产生的噪声水平可能非常低,如果该电源将在密闭壳体内使用,那么音频噪声就不会构成问题。

可能的噪声源

反激式电源中最常见的噪声源是噪声元件。这种噪声通常由陶瓷电容或铁氧体变压器磁芯产生。陶瓷电容中的噪声通常由逆向压电效应造成。对介质结构施加电压后,会引发机械应力或应变,造成材料变形。当这种材料发生变形时,会排出周围的空气,从而产生噪声。

由于在发生较大的电压摆动时会出现逆向压电效应,因此设计师可以重点查找出现较高dV/dt摆幅的陶瓷电容。在典型的电源中,这些电容包括缓冲电容、箝位电容以及陶瓷输出电容要想快速确定一个陶瓷电容是否在产生噪声,请用一个具有相同电容值和适当电压额定值的金属膜电容将其替换。如果噪声水平下降,说明您找到了电路中的噪声源。

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如果噪声源是箝位电容,可以用一个金属膜电容将其彻底替换,或者尝试使用介质材料不同的陶瓷电容。另一个方法是,更换正在使用的箝位电容,例如,将其更换为稳压管箝位电路。如果噪声问题源自缓冲电容,可以用一个金属膜电容将其替换,也可以提高串联电阻的值,以降低电容上的dV/dt噪声。您也可以改用其它介质的陶瓷电容,看噪声能否降低。

如果噪声问题存在于陶瓷输出电容,可以尝试许多不同的策略来解决。其中一个方法是,尝试换用电解电容或换用其他介质材料的电容。或者,可以用多个并联陶瓷电容来替换问题电容。每个电容尺寸的减小将使其表面积相应减小,从而改变电容的机械共振。

管理变压器磁芯噪声

另一方面,变压器磁芯产生的噪声通常由磁致伸缩造成,它类似于逆向压电效应。当受到磁场影响时,许多铁磁材料都会改变形状。随着变压器磁芯中磁场的变化,此类材料会使磁芯发生物理振动。当振动频率达到变压器的机械共振频率时,振动就会被放大,并造成更大的音频噪声。在交流电气设备(如使用60Hz外加磁场的变压器)中,最大长度变化每周期出现两次,从而产生熟悉的120Hz噪声。

如果您的设计出现这种问题,在开始排查原因之前首先要确保它不是由设计不当引起。首先,确认所提供的输入电压和输出负载符合设计规格。如果电源的工作电压低于指定的最低输入电压,或高于指定的输出负载,那么部分交流周期将会失去稳压,这样会造成磁芯中的磁通量增大并产生噪声。

如果输入电压和负载处于规格范围之内,接下来检验输入大容量电容的值是否正确。如果输入电容相对于应用而言过小,直流总线电压将在交流刷新周期之间大幅降低,造成部分输入的交流周期失去稳压。

变压器中包含多种可活动元件,如线圈、隔离胶带和骨架,它们使变压器成为了常见的噪声源。线圈中电流可产生电磁场,电磁场会产生令许多变压器元件出现机械振动的力。减小变压器元件物理移动的最有效方法是使用粘合材料或涂漆。例如,用清漆浸渍磁芯是一种广泛使用的方法,用来防止磁芯随骨架进行振动。虽然供应商提供了众多涂漆技术,但我们推荐使用清漆浸渍技术,而不是真空浸渍,这是因为真空浸渍会大幅提高绕组电容,从而降低效率并使EMI增大。

如果您的设计需要使用长磁芯型变压器,则可以采用的另一个策略是使用标准磁芯长度。长磁芯产品(如EEL型变压器和EERL型变压器)都具有极低的机械谐振频率。这种低谐振频率容易增大音频噪声。采用谐振频率较高的标准磁芯长度可以缓解该问题。但务必要注意,如果改用较短的标准磁芯,则必须使用更大的磁芯尺寸,才能提供足够的绕组窗口面积。

处理脉冲束流

脉冲束流是另一个潜在的噪声源。当设计中的传导电流脉冲聚集在一起,然后出现更多数量的跳脉冲时,就会出现脉冲束流现象。脉冲聚集会在开关模式中产生频率分量,它们通常都在听觉范围内。脉冲束流在采用开/关控制模式的电源中最为常见。

为确定您的设计中是否存在这种现象,请断开MOSFET漏极走线,然后插入一个电流环,以监测漏极电流的开关模式。

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电源在正常负载下工作时,使用一个电流探针和一个示波器抓取在一个宽时间量程内的一组漏极开关脉冲。下图对显示脉冲束流的波形与具有正常开关模式的波形进行了比较。如果看到类似于左图的脉冲 – 一行出现大量脉冲,接着是两个或更多跳脉冲,就说明您的设计可能存在这种问题。

通常,脉冲束流现象表示反馈电路过慢,导致控制器响应滞后。诊断此问题时,可以先确认反馈电路中的所有元件值是否都与设计中指定的值相符。一个可以尝试的解决方案是,在设计中采用D型光耦器。

D型光耦器具有比标准光耦器更高的增益。另一个策略是,添加一个反馈环路加速电路,以缩短响应时间。该电路将能确保光耦晶体管始终在有源区工作,这样可以防止它发生饱和,并提高响应速度。

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结论

虽然反激式电源中的音频噪声源多种多样,但最常见的“罪魁祸首”往往是陶瓷电容或铁氧体变压器磁芯。如果您测试发现电源中存在明显的噪声,则可以试用本文所介绍的应对策略。在多数情况下,您都可以快速找到故障元件并解决噪声问题。


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