直流电源的降噪与测量

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摘要

直流开关电源会产生可闻噪声,常会听到轻微的啸叫声。那么,这种噪声来自哪里,如何减少或消除呢?本文介绍的几种简单方法可以在测量和设计应用时防止可闻噪声;文章还将指出,现有或规划好的直流电源电路PCB设计中常见的薄弱环节。

概述

人们普遍认为,片式多层陶瓷电容器(MLCC)或直流电源电路会产生可闻噪声,事实并不是这样。噪声是由印刷电路板引起的,而不是组件本身。

图1显示了三个典型的评估板。本文将逐步揭示这些部件的噪声,以及电路板尺寸及其安装对噪声产生的影响。

图1: MPS评估板(1)

注:

  1. 1. 从左到右分别为:MPQ4590,640V非隔离式稳压器,输出电流高达400mA;MPQ4316,具有扩频频率和低静态电流的45V/6A同步降压变换器;MPQ4572,60V/2A高效全集成同步降压变换器。

振源

当MLCC陶瓷电容器上的电压由于压电效应而变化时,电容器的几何形状也会发生变化,进而导致振动 (见图2)。

图2: MLCC振动

那么,PCB上的噪声是如何产生的?直流电源电路中的哪些组件才是根源呢?

陶瓷电容器(MLCC)中的电压变化会产生振动刺激。在声音敏感的频率范围(0.1kHz至7kHz)内,很容易听到振动。振动再通过焊点传递到PCB,PCB就会犹如扬声器膜片一样发出可闻噪声。

图3 显示了直流电源电路中的典型组件。其中,MLCC和PCB尺寸是产生可闻噪声的关键因素,其他组件不会产生噪声。

图3:MLCC只是产生振动刺激,而PCB才是噪声源

并非所有MLCC都具有相同的行为特性。只有大容量的II类和III类MLCC会产生压电效应。其他类型的电容器、模压电感、电阻和IC,在接有负载的情况下几何形状不会有任何变化。因此,其他组件均与可闻噪声无关(请参见表1)

I类MLCC、NPO、COG II、III类MLCC X7R、X5R、Y、Z II、III类MLCC 插入型、金属带 电解钽有机电容器 开关电感(模压) 铁氧体磁珠、电阻器、DC/DC变换器
刺激 衰减


表1:可闻和不可闻系统中的组件分类

FCCM或AAM模式下的直流电源

在强制连续导通模式(FCCM)下工作的直流电源电路仅在语音敏感的音频范围内产生可闻噪声(例如GSM脉冲或其他周期性负载),而较高的直流开关电源频率是无法听到的。

当直流电源电路以高级异步调制模式(AAM)工作时,轻载模式的开关频率可在20kHz以下的较低范围内。AAM开关频率不是固定频率,而是随机的,这降低了噪声的可闻程度。AAM仅在轻载电流下才有效,此时通常没有强烈刺激,因此很少产生噪声。

三种机械系统的比较

PCB上产生的可闻噪声与弦乐器上产生声音的方式相同(请参见图4)

图4:PCB上的声音与音乐

具体理论描述如下:

    1. 刺激:系统接收输入信号,即接收刺激。人耳对2kHz至5kHz之间的音频最敏感,这与许多PCB的谐振频率相同。刺激波形就像用手指弹吉他或用小锤敲弦一样,起到狄拉克脉冲的作用,而许多部件都对频率产生影响,例如PCB谐振、刺激敲弦以及PCB对可闻基频和泛音的响应。当MLCC振动频率等于PCB谐振频率时,会产生最大噪声。
    2. 振动:振动可以产生运动。当振动表面过小时,MLCC在自由空气中的振动是听不到的。这类似于未经放大很难听到振动的乐器或琴弦。
    3. 琴桥:振动传递到音板,而琴桥(焊点)传递振动。带金属焊条或插入基板的MLCC会衰减传递的振动能量。
    4. 音板:音板将振动转换为可闻噪声。PCB就类似于音板,也相当于扬声器的膜片。

用麦克风测量PCB噪声

直流电源电路和PCB安装架产生的声学噪声和谐振频率可以通过麦克风和提供狄拉克脉冲刺激的小物件进行测量。电容式麦克风即是一个不错的选择,相比动圈式麦克风,它对MLCC的磁场敏感度较低。

用硬塑料或塑料镊子制成的小棒当作简单的机械听诊器,可以更容易听到可闻噪声(见图5)。而金属物体会发出更大的声音,有助于找到振动幅度较高的点。

图5:可闻噪声测量装置

比较上电和未上电麦克风的测量结果,会发现其PCB谐振频率完全相同(见图6)。

上电状态下:PCB被电信号激励。250Hz的负载阶跃使MLCC振动,MLCC继而以3900Hz的谐振频率激励PCB。

未上电状态下:PCB受机械冲击的激励,用塑料棒短按一下,会导致PCB以3900Hz的谐振频率机械振动。

无论激励类型是机械还是电气,都不会影响PCB的谐振频率。机械冲击测试可以显示出被测PCB的声学性能,只要PCB尺寸和连接点类似,其行为也与后续系列PCB相似。

图6:采用MPS的MPQ4572测量9cmx4cm全组装系列SMT PCB

用唱机转盘和麦克风测量PCB噪声

如果没有压电加速度计,可以简单地采用唱机转盘测量PCB金刚石锯片上精确的水平振动(见图7)。如果仅动磁式或动圈式唱头不通电测量,则电容器电流的磁场会干扰信号。如果上电测试,则晶体唱头是测量振动的更佳选择。在麦克风测量整体噪声时,唱头或压电加速度计可测量一个特定的点。

图7:谐振频率为2166Hz的9cmx9cm 双面分层PCB板

下图显示出麦克风在第二次敲击期间引起机械弹跳。较大的唱头振幅表示PCB以及带唱臂的唱头的水平移动。这里的PCB在两侧受到支撑,且在转盘的橡胶垫上方未固定。

图8:测量可闻噪声和单点振动

表2 列出了在不同条件下的PCB谐振频率。

PCB尺寸 条件 谐振频率
4cmx4.5cm 放在转盘橡胶垫上,并用力压 5690Hz
4cmx4.5cm 放在转盘橡胶垫上 5058Hz
4cmx4.5cm 在两侧支撑 4552Hz
9cmx9cm 放在转盘橡胶垫上 3742Hz
6cmx6cm EVQ4590 随意放置 3506Hz
9cmx9cm EVQ4316随意放置 2395Hz
9cmx9cm 在两侧支撑 2166Hz


表2:谐振频率与PCB尺寸的关系

在实际设计过程中,可以将处于初步设计状态的PCB机械模型用于首次测量。在测量谐振频率之前,将PCB安装在外壳中,然后对二者的组合进行测量。

叠加的振动频率和PCB振动传递函数

计算负载电流的快速傅立叶变换(FFT)(参见图9),并将这些值与PCB模型的谐振频率进行比较。检查计算出的频率是否达到PCB谐振频率。

图9:250Hz方波的快速傅立叶变换(FFT)

PCB具有振动传递函数,大致相当于一个机械二阶谐振系统。该函数由质量和弹簧常数组成,由PCB尺寸和刚度定义(见图10)。

图10: 简化的PCB振动传递函数

将FFT与PCB振动传递函数叠加,然后检查PCB谐振是否存在重叠频率。需考虑机械设计,并确保大的振动幅度不要达到谐振频率区域。

如何降低直流电源电路的噪声

在PCB谐振频率附近,可以清楚地听到振动。需避免振动频率和谐振频率的重叠。

对大多数PCB来说,无法更改电激励,但是可以通过以下方式更改PCB以避免声学噪声:

      1. 将PCB的谐振频率提高至尽可能高于振动频率。增加更多的连接点,以提高PCB的谐振频率。
      2. 增加PCB阻尼,在安装点采用软阻尼材料(例如塑料、橡胶)。
      3. 减小PCB尺寸以提高谐振频率。
      4. 增大与阻尼材料接触的区域以增加阻尼,从而减少可闻噪音。

结论

MLCC陶瓷电容器上的电压变化会由于压电效应而导致几何形状发生变化,进而引起机械运动。MLCC中产生的这种振动通过焊点传递到PCB,PCB像扬声器膜片一样在听觉上将其放大。振动的频率分量、PCB的尺寸、质量、弹簧常数以及安装类型决定了是否会产生可闻噪声。

开发DC PCB安装架时,要注意将电路板与多个分散的安装点连接,以增大谐振频率。用减振材料固定以降低谐振频率的质量,同时避免振动频率激励PCB的谐振频率。硬件开发人员应考虑电路板上的可闻噪声是否会产生干扰,例如在安静环境中的电话或监视器上。

必须先确定MLCC中由电负载范围导致的预期频谱,而且需要估算已规划好且组装好的PCB的谐振行为。有了这些信息,就可以预先优化直流电源电路的结构和PCB设计。

本文介绍的方法可以帮助工程师估计是否会出现噪声问题,从而避免PCB的多次开发。

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