如何消除直流切换功率噪声？
文章：RALF OHMBERGER
直流开关电源可听噪声从何而来，如何减少或消除?
人们普遍认为，多层陶瓷电容器(MLCCs)或直流电源电路会引起可听见的噪音，但事实并非如此。噪声是由PCB产生的，而不是由元件产生的。
通过三个评估板来逐步检查组件的噪音以及电路板尺寸及其安装的影响，以展示噪声源（图1)。
图1的MPQ4590.， 640V，非隔离稳压器，输出电流高达400ma(左);MPQ4316, 45V, 6a，低智商，同步降压转换器，扩频(中心);和MPQ4572，一个60V, 2a，高效率，全集成，同步降压转换器(右)演示了本文的噪声源。来源:议员
振动源
如何在PCB上产生噪声以及DC电源电路的哪些组件负责？当MLCC上的电压由于压电效应而变化时，电容器的几何形状会发生变化，这导致振动（图2)。
图2MLCC振动是由压电效应的电压变化引起的。来源：议员
MLCC中的电压变化产生振动刺激。在语音敏感频率范围内（0.1到7 kHz）振动很容易听到。振动通过焊点转移到PCB，然后PCB发出与扬声器膜相当的可听噪声。
图3直流电源电路的典型元件。mlcc和PCB的尺寸是可听噪音的关键，因为其他组件没有噪音。
图3MLCC是产生振动刺激的DC电源电路中的典型分量之一，并且PCB是噪声源。来源：议员
并非所有MLCC都以同样的方式表现。只有高容量的II和III MLCCS具有压电效应。其他类型的电容器，模制电感器，电阻和IC在负载下没有显示几何形状的任何变化。这意味着其他组件是微不足道的噪声源。
表格1可听和不可听系统的组件分类
| MLCC类I. NPO，COG. |
MLCC II类，II X7R，X5R， Y, Z |
MLCC II类，II Interpoer类型，金属条 | 电解钽有机电容器 | 开关电感（模压） | 铁氧体珠，电阻，DC/DC转换器 | |
| 刺激措施 | 不 | 是的 | 阻尼 | 阻尼 | 阻尼 | 阻尼 |
直流电源在FCCM或AAM
在强制连续传导模式(FCCM)下工作的直流电源电路只在语音敏感音频范围内产生可听见的噪声(例如GSM脉冲或其他周期性负载)。一个高直流开关电源频率是听不见的。
当直流电源电路工作在高级异步模式(AAM)时，轻载模式的开关频率可以在低于20khz的较低kHz范围内。AAM开关频率不是固定频率;它们是随机的，降低了可听性。AAM只有在轻载电流下才有作用，这种电流一般没有强刺激，因此很少有噪声。
比较三种机械系统
PCB上的可听噪声是与在弦乐器上生成的声音（图4)。以下在下面进一步详细描述该理论：
- 刺激：系统接收输入信号，称为刺激。人耳是2和5 kHz最敏感的，其范围与许多PCB的共振频率相同。刺激波形就像一个手指弹拨吉他或锤子撞击弦的锤子。它充当狄拉克冲动。许多组件有助于频率，例如PCB谐振，击中串的刺激，以及具有可听基频和overtones的PCB响应。当MLCC以等于PCB谐振频率的频率振动时，发生最响亮的噪声。
- 振动:振动将力转换为运动。MLCC在自由空气中振动是听不到的，因为振动面太小。这种运动类似于振动的乐器或弦不经过放大就很难被听到。
- 电桥:振动被传送到音板(见第4项)。电桥(焊锡接点)传送振动。带有金属焊锡带或中间衬底的mlcc抑制了传递的振动能量。
- 声带：声板将振动传输到可听噪声中。PCB充当声板，与扬声器膜相当。
图4PCB声音在PCB上产生声音噪声，同样的方式在弦乐器源上产生声音：MPS
用麦克风测量PCB噪音
可以用麦克风和提供DIRAC脉冲刺激的小物体测量DC电源电路和PCB安装件的声噪声和谐振频率。良好的选择是冷凝器麦克风，其对MLCC的磁场不太敏感而不是动态麦克风。
由硬塑料或塑料镊子制成的棒可用作简单的机械听诊器，使听觉噪音更易于听到。金属物体使噪音更响亮，可以帮助寻找具有更高振动幅度的点（图5)。
图5使用此设置衡量可听噪声。来源：议员
将有电源和无电源麦克风测量结果进行比较，可以发现PCB的谐振频率完全相同(图6)。
图6使用MPS的MPQ4572测量9×4厘米，全组装的串联表面支架（SMT）PCB。来源：议员
在有电源的情况下，PCB被电信号激励。一个250 Hz的负载阶跃导致MLCC振动，这将激励PCB在3900 Hz的谐振频率。在无电源的情况下，PCB被机械冲击激发，用塑料棒短推使PCB在3900 Hz的共振频率下机械振动。
激励类型，无论是机械还是电气，对PCB的共振频率没有影响。机械冲击试验可以显示测试PCB的声学行为，其行为与后来的串联PCB类似，只要尺寸和附接点即可。
使用转盘和麦克风测量PCB噪音
如果不可用压电加速度计，则转盘是一种简单的替代方案，可以测量钻石上的精确水平振动。如果移动磁铁或移动线圈盒是唯一的无功率测量，则电容器电流的磁场扰乱了信号。对于动力测量，水晶盒是测量振动的更好选择。虽然麦克风测量整体，盒子或压电加速度计测量定义的点（图7)。
图7转盘可用作替代设置，以测量PCB上的水平振动。来源：议员
麦克风显示第二次锤击和锤击过程中的机械反弹(图8)。大的墨盒振幅显示PCB和墨盒的水平运动与手臂。PCB在这里是支持在两个方面，是自由以上的橡胶配合的转盘。
图8这些测量结果显示了第二锤触摸和锤击撞击期间的机械反弹。来源：议员
表2列出了不同条件下的不同共振频率。
表2.共振频率与PCB尺寸
| PCB大小 | 状况 | 共振频率 |
| 4×4.5厘米 | 用力躺在转盘橡胶配件上 | 5690 Hz. |
| 4×4.5厘米 | 躺在转盘橡胶mate | 5058赫兹 |
| 4×4.5厘米 | 双方支持 |
4552 Hz. |
| 9×9厘米 | 躺在转盘橡胶mate |
3742 Hz. |
| 9×9厘米 | evq4590免费撒谎 |
3506 Hz. |
| 6×6厘米 | evq4316免费撒谎 |
2395赫兹 |
| 9×9厘米 | 双方支持 |
2166赫兹 |
在实际设计期间，初步设计状态下PCB的机械模型可用于第一次测量。在测量谐振频率之前将PCB安装在外壳中，并在组合中测量。
PCB振动传递函数
计算负载电流的快速傅里叶变换（FFT）（图9），并将这些值与来自PCB模型的谐振频率进行比较。检查计算的频率是否达到PCB谐振频率。
图9确定250 Hz平方波的FFT。来源：议员
PCB具有振动传递函数，其大致对应于机械二阶谐振系统。它由质量和弹簧常数组成，由PCB尺寸和刚度（图10)。
图10该曲线显示了简化的PCB振动传递函数。来源：议员
将FFT与PCB的振动传递函数叠加，然后检查与PCB谐振的重叠频率。考虑机械设计，确保大的振动幅值不能达到共振频率的面积。
降低直流电源电路的噪声
在PCB共振频率的区域周围，振动清晰可听。避免重叠的振动频率和谐振频率。对于大多数PCB而言，无法改变电激励，但可以通过以下方式更改PCB以避免声学噪声：
- 使PCB的共振频率尽可能高，高于振动频率。更多附接点增加了PCB共振频率。
- 增加PCB阻尼，并使用软阻尼材料的安装点（例如塑料，橡胶）。
- 较小的PCB尺寸增加了谐振频率。
- 与阻尼材料接触的更大区域会增加阻尼并降低可听噪声。
由于压电效应，MLCC上电压的变化导致其几何形状的变化，导致机械运动。在MLCC中产生的该振动通过焊点转移到PCB，这可以听觉地放大，类似于扬声器膜。振动的频率分量，PCB的尺寸，其质量，弹簧常数和安装类型确定是否产生了可听噪声。
开发DC PCB安装时，请注意将电路板连接到许多分布式安装点以增加谐振频率。用振动阻尼材料固定抑制谐振频率的质量。避免振动频率，可以激发PCB的谐振频率。硬件开发人员应考虑电路板上的可听噪声是否分散注意力，例如在安静的环境中在手机或监视器上。
必须确定由电负载分布引起的MLCC预期的频谱，并且必须估计已规划、组装的PCB的共振行为。有了这些知识，直流电源电路和PCB设计的力学可以提前优化。本文中描述的方法可以帮助工程师评估是否可能存在声学问题，并节省多氯联苯的多次开发。
拉尔夫Ohmberger他是单片电力系统的高级应用工程师。
本文最初发表于edn.。
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