開關電源電路嘯叫的原因

一、嘯叫的定義

嘯叫其實是一種干擾現(xiàn)象，因其頻率剛好在人的聽覺范圍之內(nèi)而產(chǎn)生的一種較為尖銳的聲音。有些電源在輕載場景下，往往會由PWM模式轉換為PFM模式，此時電源的開關頻率會下降。例如電腦的Vsb(standby電源)節(jié)能電源的空載嘯叫一般是由Vsb部分產(chǎn)生的，一些小功率的電源適配器也存在此問題，其線路一般采用單端反激PWM電路設計。本文討論的嘯叫一般表現(xiàn)是：電源在完全空載的情況下，耳朵可以聽到尖銳的嘯叫，如果增加負載，嘯叫聲會隨之消失，直到滿載都不會出現(xiàn)嘯叫。

二、人耳能聽到的聲音頻率的范圍

通常情況下，人耳能聽到的聲音的頻率為20Hz～20KHz，其中最敏感的頻率是2KHz～3KHz，受過專門訓練的人可能超過20KHz。不同人的聽覺是有差異的，同一個發(fā)出嘯叫的電源，不同的人去聽，其聽到的結果一定是不同的，同一人的聽覺也會隨著年齡而衰退，老年人能聽到的頻率約為50Hz～12000Hz，所以有好多老年人聽力差，甚至耳聾。

人們在聽到嘯叫時，往往第一感覺就是可怕，有一種恐懼心理，認為可能存在一種潛在危機，不知哪一天會爆發(fā)出來，造成不可彌補的損失甚至有對人身安全造成危害，其實節(jié)能電源的嘯叫并沒有這么可怕，如果了解到其產(chǎn)生的原因及實際使用中會不會有嘯叫，就覺得并沒有那么可怕。

三、開關電源電路嘯叫的原因

穩(wěn)壓電源電路輸出的開關電流的頻率，或周期性脈沖群的周期頻率，或毛刺的周期頻率落入20~20kHz的音頻范圍，且周期性變化的電流經(jīng)過電感線圈而產(chǎn)生交變磁場，使得該電感線圈在交變磁場作用下像“喇叭”一樣在幾乎固定的頻率上產(chǎn)生機械振動而發(fā)出嘯叫。

嘯叫聲音的大小與電感繞制的質量有一定關系，繞制較松，其產(chǎn)生的嘯叫聲將較大。

引起DC/DC電路電感嘯叫的因素

1、負載電流過大。DC/DC芯片內(nèi)部有一個限流保護電路，當負載超過IC內(nèi)部的開關MOS管的最大電流時，限流電路檢測電路就會調(diào)整芯片內(nèi)部的占空比，或者停止工作，直到檢測負載電流在標準范圍內(nèi)時，再重新啟動正常的工作開關。

如果從停止開關到重啟開關的時間周期正好是20~20kHz的頻率范圍內(nèi)，就會導致電感的的震動頻率被人聽到。

2、負載電壓過高。如果負載為空或輕負載，就會觸發(fā)過壓保護，停止開關，如果電壓降下來，就會重啟工作，從停止到重啟的時間容易落在音頻范圍內(nèi)。

3、電路產(chǎn)生自激。電源電路在設計時，穩(wěn)定性不夠，當負載產(chǎn)生變化時，容易自激，當自激的頻率在音頻范圍內(nèi)，將引起嘯叫。

4、穿越頻率落在20~20kHz的頻率范圍內(nèi)。穿越頻率通常為開關頻率的1/5至1/20，設計時需要撇開音頻的頻率范圍，否則，將無法解決嘯叫問題。

5、開關切換過沖較大。DC/DC上管和下管切換的過程中，由于寄生電容、寄生電感的存在，將在上管開啟的瞬間產(chǎn)生過沖，且幅度較大，導致在電感上施加周期性的過沖電壓，從而引起嘯叫聲變大。

6、在我們使用一些具備輕載切換調(diào)制模式的開關電源控制的使用過程中，發(fā)現(xiàn)，以上的原因都不存在的情況下。還是會產(chǎn)生嘯叫!

換N多電感都無濟于事!

四、節(jié)能電源嘯叫的原因

為了滿足節(jié)能以及環(huán)保的需求，針對不同用途與不同的功耗范圍，全球許多政府及能源機構的各種新的能耗標準紛紛出臺，降低能耗成為了一項無法回避的重要議題，計算機生產(chǎn)企業(yè)對電源能耗也提出了更高的要求，對于開關式電源，降低待機能耗顯得非常重要，因此許多電源生產(chǎn)企業(yè)采用了新的節(jié)能芯片代替原來的高能耗芯片。

節(jié)能芯片本身可以通過檢測電路工作狀態(tài)，在空載或輕載情況下自動調(diào)節(jié)開關頻率，減少開關次數(shù)，從而降低能量的損耗而達到節(jié)能的效果，如下圖(電源正常工作頻率幾十千赫到幾百千赫)：

開關電源是工作在高頻開關的狀態(tài)，其頻率范圍一般在幾十千赫到幾百千赫，在高頻開關中會產(chǎn)生一些干擾。沒有任何聲音的電源也一直存在這些干擾，只是頻率不在人的聽覺范圍之內(nèi)，人的耳朵是無法聽到的。

但是，現(xiàn)在隨著節(jié)能減排的要求、移動設備的極大豐富。為了實現(xiàn)節(jié)能的要求，保持在低負載情況下高轉換效率，PWM芯片具備切換PFM的功能，在空載、輕載下其頻率范圍降低到了人的聽覺范圍之內(nèi)，如果不采用其他抑制方法，人所能聽到的嘯叫問題是存在的。再者為了達到節(jié)能的目的，電路中往往不能焊接負載電阻(增加電阻之后，增加電源的輸出功率)，就更容易造成嘯叫的問題。

五、實例

下圖所示的DC/DC降壓電路圖為例，來說明如何解決電感的嘯叫問題。

不同型號的DCDC電源芯片的開關頻率不同。即使同樣的外圍電路，振蕩頻率也可能有差別，輸出脈沖也有差異。如圖所示是MP4420芯片的典型電路。R149和R150為反饋電阻，調(diào)節(jié)R149和R150的值，可以調(diào)整輸出電壓VO，VO=0.792*(1+R149/R150)。

L2為輸出電感，L2電感量越大，則輸出紋波越小，紋波的大小還會影響到輸出電壓調(diào)整的靈敏度。紋波越小，靈敏度越高，輸出電壓越穩(wěn)定。L2電感量越小，紋波越大，輸出靈敏度越低，輸出電壓穩(wěn)定度降低。

C222為輸出電容，C222的ESR越小，則允許流經(jīng)電容的紋波電流越大，保證電容使用壽命的同時，紋波電壓也越小。另外，電容的容量越大，紋波電壓也越小。

(1)嘯叫的原因。

當電感線圈L2的振動頻率落入音頻范圍(20Hz~20kHz)時，就會產(chǎn)生嘯叫。MP4220的輸出穩(wěn)壓是以PWM方式實現(xiàn)的，當電路負載較小時，輸出方波脈寬變窄，即占空比變小。當電路負載小于某個數(shù)值時，無法繼續(xù)調(diào)整占空比。為了實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，不同的芯片采用的方案不同：有的芯片通過降低開關頻率來實現(xiàn);有的芯片通過周期性的丟棄一些脈沖來實現(xiàn)。不管是降開關低頻率還是周期性丟棄脈沖，如果調(diào)整后的開關電流的頻率落入音頻范圍，就會產(chǎn)生嘯叫。

(2)嘯叫的解決方法。

解決嘯叫問題的方法就是避免開關頻率落在20Hz~20kHz范圍內(nèi)。方法有多種，具體如下。

①可以在EN管腳外接一個時鐘源來控制使能，改變電源開關頻率，避免開關電流頻率落入音頻范圍，從而避免電感的嘯叫。

②改善電感L2的工藝(如灌膠或增加浸漆工序等)，減小振動。

③在紋波允許范圍內(nèi)，適當加大紋波幅度。如果需要，可以多加一級濾波。

3)實際測試開關電源電路波形。

實測電路圖和波形如圖所示

MP4220在低負載的場景下進入了“節(jié)能模式”，開關頻率從410kHz降低到了138kHz。如果進一步降低負載，開關頻率落入20Hz~20kHz范圍，電感就會產(chǎn)生嘯叫。

審核編輯：湯梓紅

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