直流電源的降噪與測量
摘要
直流開關(guān)電源會產(chǎn)生可聞噪聲，常會聽到輕微的嘯叫聲。那么，這種噪聲來自哪里，如何減少或消除呢？本文介紹的幾種簡單方法可以在測量和設(shè)計應用時防止可聞噪聲；文章還將指出，現(xiàn)有或規(guī)劃好的直流電源電路PCB設(shè)計中常見的薄弱環(huán)節(jié)。
概述
人們普遍認為，片式多層陶瓷電容器（MLCC）或直流電源電路會產(chǎn)生可聞噪聲，事實并不是這樣。噪聲是由印刷電路板引起的，而不是組件本身。
圖1顯示了三個典型的評估板。本文將逐步揭示這些部件的噪聲，以及電路板尺寸及其安裝對噪聲產(chǎn)生的影響。
注:
從左到右分別為：MPQ4590，640V非隔離式穩(wěn)壓器，輸出電流高達400mA；MPQ4316，具有擴頻頻率和低靜態(tài)電流的45V/6A同步降壓變換器；MPQ4572，60V/2A高效全集成同步降壓變換器。
振源
當MLCC陶瓷電容器上的電壓由于壓電效應而變化時，電容器的幾何形狀也會發(fā)生變化，進而導致振動?（見圖2）。
那么，PCB上的噪聲是如何產(chǎn)生的？直流電源電路中的哪些組件才是根源呢？
陶瓷電容器（MLCC）中的電壓變化會產(chǎn)生振動刺激。在聲音敏感的頻率范圍（0.1kHz至7kHz）內(nèi)，很容易聽到振動。振動再通過焊點傳遞到PCB，PCB就會猶如揚聲器膜片一樣發(fā)出可聞噪聲。
圖3?顯示了直流電源電路中的典型組件。其中，MLCC和PCB尺寸是產(chǎn)生可聞噪聲的關(guān)鍵因素，其他組件不會產(chǎn)生噪聲。
并非所有MLCC都具有相同的行為特性。只有大容量的II類和III類MLCC會產(chǎn)生壓電效應。其他類型的電容器、模壓電感、電阻和IC，在接有負載的情況下幾何形狀不會有任何變化。因此，其他組件均與可聞噪聲無關(guān)（請參見表1）。
表1：可聞和不可聞系統(tǒng)中的組件分類
FCCM或AAM模式下的直流電源
在強制連續(xù)導通模式（FCCM）下工作的直流電源電路僅在語音敏感的音頻范圍內(nèi)產(chǎn)生可聞噪聲（例如GSM脈沖或其他周期性負載），而較高的直流開關(guān)電源頻率是無法聽到的。
當直流電源電路以高級異步調(diào)制模式（AAM）工作時，輕載模式的開關(guān)頻率可在20kHz以下的較低范圍內(nèi)。AAM開關(guān)頻率不是固定頻率，而是隨機的，這降低了噪聲的可聞程度。AAM僅在輕載電流下才有效，此時通常沒有強烈刺激，因此很少產(chǎn)生噪聲。
三種機械系統(tǒng)的比較
PCB上產(chǎn)生的可聞噪聲與弦樂器上產(chǎn)生聲音的方式相同（請參見圖4）。
具體理論描述如下：
刺激：系統(tǒng)接收輸入信號，即接收刺激。人耳對2kHz至5kHz之間的音頻最敏感，這與許多PCB的諧振頻率相同。刺激波形就像用手指彈吉他或用小錘敲弦一樣，起到狄拉克脈沖的作用，而許多部件都對頻率產(chǎn)生影響，例如PCB諧振、刺激敲弦以及PCB對可聞基頻和泛音的響應。當MLCC振動頻率等于PCB諧振頻率時，會產(chǎn)生最大噪聲。
振動：振動可以產(chǎn)生運動。當振動表面過小時，MLCC在自由空氣中的振動是聽不到的。這類似于未經(jīng)放大很難聽到振動的樂器或琴弦。
琴橋：振動傳遞到音板，而琴橋（焊點）傳遞振動。帶金屬焊條或插入基板的MLCC會衰減傳遞的振動能量。
音板：音板將振動轉(zhuǎn)換為可聞噪聲。PCB就類似于音板，也相當于揚聲器的膜片。
用麥克風測量PCB噪聲
直流電源電路和PCB安裝架產(chǎn)生的聲學噪聲和諧振頻率可以通過麥克風和提供狄拉克脈沖刺激的小物件進行測量。電容式麥克風即是一個不錯的選擇，相比動圈式麥克風，它對MLCC的磁場敏感度較低。
用硬塑料或塑料鑷子制成的小棒當作簡單的機械聽診器，可以更容易聽到可聞噪聲（見圖5）。而金屬物體會發(fā)出更大的聲音，有助于找到振動幅度較高的點。
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