開關(guān)電源音頻噪聲抑制技術(shù)

作者:林森

    電子和磁性元件的振蕩頻率在人耳聽覺范圍內(nèi)時(shí),會(huì)產(chǎn)生能聽見的信號(hào).這種現(xiàn)象在電力變換研究初期已為人知.以50和60Hz工頻工作的變壓器常常產(chǎn)生討厭的交流噪聲.如果負(fù)載以音頻元件調(diào)制,以恒定超聲頻率工作的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器也會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲.

    低功率電平時(shí),音頻信號(hào)通常與轉(zhuǎn)換器無(wú)關(guān).但是,設(shè)計(jì)人員可能希望降低其電路的聲波發(fā)射.低功率AC-DC轉(zhuǎn)換器中,將50或60Hz變壓器的鐵心薄片焊接在一起,能使交流噪聲降至容許的水平.高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的鐵氧體變壓器也采用了類似的技木.

    過(guò)去常用高級(jí)音頻工程設(shè)備來(lái)研究開關(guān)電源的聲波輻射.這種裝置可以非常精確地測(cè)量絕對(duì)聲壓級(jí)和聲譜,但人類對(duì)聲音的感覺是很主觀的.很難說(shuō)多大的聲音是能聽到的,更難以確定的是在特定應(yīng)用中多大的聲音會(huì)被認(rèn)為是難以忍受的噪聲.

    聲波輻射與電磁輻射相似,但沒(méi)有用于衡量聽覺容忍度的通用基準(zhǔn).因此,設(shè)計(jì)者可以依據(jù)以下方針來(lái)處理與音頻噪聲相關(guān)的問(wèn)題,減少產(chǎn)品的聲音輻射.

電容噪聲

    所有的絕緣材料在電場(chǎng)的壓力下均會(huì)變形,這種電致伸縮效應(yīng)與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比.有些絕緣介質(zhì)還呈現(xiàn)壓電效應(yīng),即與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的線性位移.壓電效應(yīng)通常是電容產(chǎn)生噪聲的主要途徑.

    廉價(jià)的小陶瓷電容中的非線性絕緣材料通常含有大比例的鈦酸鋇,在正常工作溫度下產(chǎn)生壓電效應(yīng).困而,這些元件會(huì)比線性絕緣成份的電容產(chǎn)生更多的噪聲.開關(guān)電源中,電壓偏移最大的箱位電路中的電容最有可能產(chǎn)生音頻噪聲.

    要確定陶瓷電容是否主要噪聲源,可以用不同絕緣體的電容來(lái)替換.薄膜電容是性價(jià)比不錯(cuò)的替代品.但應(yīng)注意替換品是否能經(jīng)受得住反復(fù)的尖峰電流和電壓應(yīng)力.

    另一種具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的選擇是用齊納箝位電路來(lái)替代RCD箝位電路.齊納箝位的價(jià)格已與RCD箝位的相當(dāng),但占用的空間小得多而效率更高.

變壓器噪聲

    在大多數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中,變壓器是主要的音頻噪聲源.試驗(yàn)板上第一個(gè)變壓器原型產(chǎn)生的噪聲往往令人吃驚.采用眾所周知的恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)技巧將基本上消除噪聲而不增加額外的費(fèi)用.在裝配原型變壓器時(shí)要注意成品性能的可重復(fù)性.

    有一些機(jī)制會(huì)產(chǎn)生變壓器噪聲,每種都會(huì)產(chǎn)生發(fā)出聲音的機(jī)械位移.這些機(jī)制包括:

．相對(duì)運(yùn)動(dòng)—磁芯兩部分間的吸引力使其移動(dòng),壓迫將其分隔的介質(zhì).

．撞擊—如果兩塊磁芯的表面能接觸,它們響應(yīng)磁通激勵(lì)而移動(dòng)會(huì)使二者碰撞或刮擦.

．彎曲—僅在EE或EI結(jié)構(gòu)的磁芯中間腿存在的裂隙,可使磁芯各部分沿其間吸引力的方向彎曲.

．磁致伸縮—磁芯材料的尺寸隨磁通密度變化.普通功率的鐵氧體的變化率小于1ppm.

．骨架移動(dòng)—磁芯片的位移可通過(guò)骨架傳送和放大.

．線圈移動(dòng)．線圈中的電流產(chǎn)生移動(dòng)這些導(dǎo)線的吸引力和排斥力.

    移動(dòng)源共同作用,形成了復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng),它能在人耳聽力范圍內(nèi)的一個(gè)或幾個(gè)頻點(diǎn)上,產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振.10W以下離線反激式轉(zhuǎn)換器常用的結(jié)構(gòu)一般產(chǎn)生10k Hz到 20k Hz的共振.當(dāng)磁通激勵(lì)的基頻或其諧波經(jīng)過(guò)機(jī)械共振區(qū)域時(shí),移動(dòng)發(fā)出聲音.設(shè)計(jì)者應(yīng)全程變換負(fù)載以檢驗(yàn)音頻噪聲,特別是需要?jiǎng)討B(tài)負(fù)載時(shí).

    這些機(jī)制產(chǎn)生噪聲的大小根據(jù)各自所處的不同位置決定.幸運(yùn)的是,設(shè)計(jì)者可以應(yīng)用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)技術(shù)來(lái)有效衰減各種機(jī)制產(chǎn)生的音頻噪聲.

結(jié)構(gòu)技術(shù)

    幾種可以降低變壓器音頻噪聲的方法在制作時(shí)都需要正確使用恰當(dāng)?shù)恼澈蟿?

變壓器制造商和用戶的評(píng)價(jià)證明這些技木適于大批量消費(fèi)類應(yīng)用.

本文詳細(xì)描述了兩種結(jié)構(gòu)技木供喜愛其它電源的用戶參考,但客戶應(yīng)充分測(cè)試其應(yīng)用所需的所有元件.

變壓器用粘合劑

制作變壓器時(shí)使用粘合劑是業(yè)界所周知的.不同的膠、粘合劑、涂層和封裝能幫助變壓器抵受機(jī)械沖擊,排除環(huán)境污染,達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn).針對(duì)這些目的,在使用粘合劑來(lái)降低音頻噪聲時(shí)有一些特定的注意事項(xiàng).

粘合劑應(yīng)是剛性的.硬環(huán)氧樹脂類通常能提供所需特性,而諸如硅樹脂等軟性化合物卻無(wú)效.變壓器制造商們處在可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)材料的有利地位,因?yàn)樗麄兺ǔＳ凶钸m合其獨(dú)特工序的特定用途慣用粘合劑列表.

粘合劑的主要用于防止兩塊磁芯間以及磁芯和骨架間的相對(duì)移動(dòng),另外也可以衰減變壓器的機(jī)械共振.

但是,誤用．粘合劑會(huì)產(chǎn)生折斷磁芯的機(jī)械應(yīng)力.溫度變化時(shí),變壓器結(jié)構(gòu)材料的尺寸變化不同.如果各部分不能靠移動(dòng)補(bǔ)償這些尺寸變化,就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力.鐵氧體、骨架和粘合劑的有限移動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生足以導(dǎo)致材料失效的應(yīng)力.因此,粘合劑過(guò)多或太少都不能將音頻噪聲降到最低.

本文講述了兩種在構(gòu)造變壓器時(shí)使用粘合劑的技巧.第一種方法避免了所有與機(jī)械應(yīng)力相關(guān)的問(wèn)題.它可以用于各種兩片式磁芯結(jié)構(gòu),甚至在音頻噪聲無(wú)關(guān)緊要的應(yīng)用中也非常有用.另一種技木必須在設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟葴y(cè)試后小心使用.

采用玻璃珠的變壓器

降低變壓器音頻噪聲最有效的方法是用剛性粘合劑粘合鐵氧體塊的配合面.對(duì)稱結(jié)構(gòu)變壓器中配合面間距均勻,使鐵氧體和粘合劑的尺寸變化獨(dú)立,防止機(jī)械應(yīng)力.所需的均勻間距可通過(guò)粘合劑與玻璃隔珠的混合物可方便地得至.
    此技木也適用于EI結(jié)構(gòu).EE結(jié)構(gòu)中的各磁芯腳等長(zhǎng),無(wú)需在任何一條中磨出間隙.粘合劑中的玻璃珠保持確定電感所需的的間距.

用玻璃隔珠設(shè)計(jì)和構(gòu)造變壓器的過(guò)程很簡(jiǎn)單、直接、經(jīng)濟(jì).下一節(jié)將講述此主題.

用玻璃隔珠設(shè)計(jì)和構(gòu)造變壓器

用玻璃隔珠來(lái)界定粘合層是業(yè)界通用的慣例.一些制造商提供不同規(guī)格和尺寸容差的原材料.本文附錄給出通用規(guī)格和知名供應(yīng)商信息,但這些產(chǎn)品都是按同一標(biāo)準(zhǔn)篩選出來(lái),而不包括一些質(zhì)量控制更嚴(yán)格或客差更嚴(yán)格的供應(yīng)商的產(chǎn)品.用戶在選擇供應(yīng)商前最好先檢查指標(biāo).

如何選擇適當(dāng)尺寸的玻璃珠

氣隙尺寸的計(jì)算通常假設(shè)所有磁通局限在磁芯范圍內(nèi).由于總會(huì)有部分磁通溢出磁芯外,這種采用理想模型的計(jì)算并不準(zhǔn)確.因此,設(shè)計(jì)者通常用計(jì)算好的AL(電感每匝平方)代替物理尺寸作為給定磁芯尺寸的設(shè)計(jì)參數(shù).

當(dāng)氣隙長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)時(shí),采用玻璃膠和采用磁芯中縫的設(shè)計(jì)過(guò)程相同.設(shè)計(jì)使用玻璃膠結(jié)構(gòu)的變壓器時(shí),必須知道各磁芯的Al和準(zhǔn)備選用的玻璃珠的規(guī)格.工藝、過(guò)程和磁芯成分的不同會(huì)改變表中的值,完全有可能需要不同尺寸的玻璃球才能獲得最佳設(shè)計(jì).因此,設(shè)計(jì)者可能需要與自己特定工藝相配合的改進(jìn)的AL表.

裝配使用玻璃膠的變壓器

用玻璃膠裝配變壓器的最佳方法隨特定的生產(chǎn)環(huán)境而不同.例如,在高度自動(dòng)化的生產(chǎn)線上進(jìn)行的大批量生產(chǎn)所用的最佳方法就不同于大部分工作山手工完成的小批量生產(chǎn)的方法.一者主要的差別在于選擇不同的粘合劑,以及混合的細(xì)節(jié).

大批量自動(dòng)化生產(chǎn)可選用在常溫下能很快凝固的AB膠.玻璃珠與粘合劑的混合比例與機(jī)械特性相關(guān).

小批量生產(chǎn)更適用單一粘合劑,它在100℃以上溫度的凝固時(shí)間超過(guò)1小時(shí).玻璃珠在使用前與粘合劑混合,或從供應(yīng)商處購(gòu)買適當(dāng)?shù)囊鸦旌虾玫漠a(chǎn)品.

粘合劑的粘性應(yīng)足以保持玻璃球形成均勻分散的懸浮體.附錄列出了一些實(shí)驗(yàn)用和中型批量效果良好的產(chǎn)品.類似丙烯脂等凝固快速而粘性低的粘合劑不適用.粘合劑的額定溫度范圍也必須能用在應(yīng)用的溫度極限值.

玻璃珠與粘合劑10%按重量混合,能提供大多數(shù)應(yīng)用所需的高性能.盡管在此理論中各磁芯腿僅需一粒以保持所需間距,但實(shí)際上每條引腳中仍應(yīng)有足夠的珠子來(lái)保持粘合劑接觸面平行.據(jù)估計(jì),混合的玻璃珠少于5%時(shí),很可能有的引腳沒(méi)有玻璃珠,而超過(guò)20%的混合物會(huì)因過(guò)于濃稠而無(wú)法可靠應(yīng)用和粘合.最后的結(jié)果會(huì)根據(jù)粘合劑的不同特性而改變.

變壓器中玻璃珠的成本是可以忽略的.EE16型變壓器約需要20毫克玻璃膠.如果玻璃的混合比例是10%,EE16磁芯的變壓器約需2毫克玻璃.假設(shè)在最貴的情況下每磅需要100美元(每克0.22美元),一個(gè)變壓器中玻璃珠的成本為0.00044美元,即0.044美分.

構(gòu)造提示

用玻璃膠裝配變壓器的方法有多種.本節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)室正樣和小批量試生產(chǎn)給出了一些可行的建議．

．制造一個(gè)帶永磁體的裝置來(lái)粘接和固定變壓器.從安裝固化爐的鐵片或支架開始,將鈕扣磁鐵以適當(dāng)間距陣列粘合在支架上.交替磁體的南北朝向來(lái)獲得最強(qiáng)磁場(chǎng).

．各磁鐵E型磁芯腿朝上放置.在各條腿涂上粘合劑和玻璃珠的混合物.在構(gòu)造過(guò)程中使用一次性塑料注射器(又稱移液吸管)可很好地分配.

．每個(gè)位置上的粘合劑必須足以完全填滿兩個(gè)配合面間的氣隙.氣泡會(huì)使變壓器產(chǎn)生更多的音頻噪聲.但應(yīng)注意中間引腳上不要使用過(guò)多的粘合劑.

．將骨架放在涂有膠水的E型磁芯中,將另一個(gè)鐵氧體磁芯(E或!型)與之裝配好.以一定的壓力按壓鐵氧體頂部,確保兩部分間距僅一層玻璃珠將安裝好變壓器的托盤放置在固化爐中.無(wú)需使用膠帶或夾具,磁鐵能提供將磁片粘合在一起的壓力.

在粘合時(shí)變壓器的電感可能改變,特別是用較小尺寸玻璃珠的設(shè)計(jì)中.可以預(yù)期的變化量由加工過(guò)程決定,但如果過(guò)程控制良好,結(jié)果是可以始終如一的.特殊的膠水、混合、裝配技巧和夾緊的方法都能影響固化后的最終電感.

鐵氧體材料滲透性的常有25%的變化率,這能使采用最小的磁芯和玻璃珠的變壓器電感變化6%.使用較大磁芯和玻璃珠的設(shè)計(jì)的滲透性變化不那么敏感,設(shè)計(jì)者應(yīng)確保固化后的電感在限定的范圍內(nèi).在最后的電感測(cè)試時(shí)能發(fā)現(xiàn)磁芯外側(cè)腿上沒(méi)有玻璃珠的少見情形.

使用中縫膠的變壓器

雖然使用玻璃隔珠在很多方面優(yōu)于其它結(jié)構(gòu),還是有一些制造廠商使用粘合劑和傳統(tǒng)的中縫結(jié)構(gòu).此變通辦法能有效地降低音頻噪聲的產(chǎn)生,但用戶必須對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試以確保在預(yù)朋的極限溫度下,機(jī)械應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)失效.

由于不同供應(yīng)商的磁芯強(qiáng)度相差很大,用戶必須去信任鐵氧體材料的來(lái)源.各變壓器的磁芯強(qiáng)度必須足以承受磁芯中腿氣隙結(jié)構(gòu)中無(wú)可避免的機(jī)械應(yīng)力.

各設(shè)計(jì)的合格證明應(yīng)包括覆蓋最終產(chǎn)品和變壓器本身運(yùn)輸所需整個(gè)溫度范圍內(nèi)的熱應(yīng)力測(cè)試.比如,最終產(chǎn)品所需的最低工作溫度可能為0℃,但產(chǎn)品或變壓器的空運(yùn)將使其暴露在-40℃的低溫中.

手持式設(shè)備的電源充電器和交流適配器等合格產(chǎn)品通常需要經(jīng)過(guò)熱沖擊試驗(yàn),此指標(biāo)通常要求32個(gè)從-40℃到85℃間的溫度周期.每個(gè)周期中,在兩種極限溫度下各保持一小時(shí),而在15秒以內(nèi)轉(zhuǎn)換到另一種溫度.某些應(yīng)用要求在-40℃到100℃極限值間變換.

用戶應(yīng)徹底了解其應(yīng)用以確定正確的測(cè)試條件.幾百個(gè)不同設(shè)計(jì)的變壓器均按上述指標(biāo)執(zhí)行溫沖試驗(yàn).可以看到許多采用中縫填硬膠的變壓器發(fā)生失效,特別是中縫大于0.1mm的.與此相反,采用推薦的使用玻璃珠的結(jié)構(gòu)卻沒(méi)有失效的現(xiàn)象.

采用氣隙設(shè)計(jì)的變壓器在大批見生產(chǎn)時(shí),也有較小但仍不可接受的失效率.因此,大失效可以由外部裂紋觀察到,但外部檢查無(wú)法探測(cè)到內(nèi)部失效,但可山工作中音頻噪聲增大判定.

中縫小于0.1mm的變壓器失效的風(fēng)險(xiǎn)較小.熱膨脹系數(shù)很高的硬膠會(huì)使間隙較小的磁芯破裂.山于機(jī)械應(yīng)力比使用硬膠小得多,使用軟膠沒(méi)有裂紋問(wèn)題,但軟膠衰減音頻噪聲的效果差得多.

使用中縫膠構(gòu)造變壓器

兩個(gè)粘合在一起的E型磁芯片的每條腳上涂上粘合劑.對(duì)帶中縫的EE磁芯結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),最重要的是中縫必須完全涂滿粘膠,而且粘性材料將磁芯各腳的整個(gè)配合面緊緊粘合在一起.

中縫中的少量粘膠將骨架粘合在一起.在使用玻璃珠的結(jié)構(gòu)中,沒(méi)有沿整個(gè)骨架長(zhǎng)度粘合是很重要的.結(jié)構(gòu)必須允許骨架和磁芯相應(yīng)溫度變化獨(dú)立改變其尺寸.

粘合過(guò)程

粘膠的應(yīng)用和過(guò)程很重要,特別是在面包板上的變壓器原型的制造過(guò)程中,此過(guò)程由手工完成且是粗略的.

盡管變壓器制造商可能很熟悉在制造過(guò)程中特殊材料的使用,讓他們獲悉工序的目的并始終使用足量的粘膠仍很重要.粘膠不足可能可以將鐵片粘合在一起,但無(wú)法按預(yù)期衰減噪聲.必須保持粘合過(guò)程的一致性,才能產(chǎn)生噪聲極低的變壓器.

帶中縫的變壓器裝配中也可采用先前所述的用于玻璃隔珠的結(jié)構(gòu)技巧.

配合面間增加粘膠可以減少變壓器由于膠水固化時(shí)膨脹而產(chǎn)生的電感,特別是最初的缺口很小時(shí).設(shè)計(jì)者應(yīng)確保固化后電感在限定范圍內(nèi).開始時(shí)中間腿應(yīng)留下一個(gè)小缺口,以補(bǔ)償外側(cè)腿上粘膠的厚度.

如果變壓器原型在涂上膠水以后仍有噪聲,切開骨架檢查中間腿上的膠水.大多數(shù)有噪聲的變壓器的中縫都沒(méi)有完全填滿.如果中間腿的膠水沒(méi)有空隙,分離磁芯片露出外側(cè)腳的配合面.檢查整個(gè)表面的粘合情況.

由于膠水的特性決定鐵氧體的機(jī)械應(yīng)力,進(jìn)行熱測(cè)試的原型變壓器使用的粘合劑必須與大批量生產(chǎn)時(shí)使用的完全相同.

其它結(jié)構(gòu)技術(shù)

需要完全密封”(陶封)的磁性元件的應(yīng)用通常無(wú)需降低音頻噪聲的額外處理.制造商有時(shí)用密封來(lái)滿足特殊環(huán)境要求,或在空間狹窄的應(yīng)用中滿足絕緣要求.如果需要,密封還可作為成本稍高的噪聲降低技木.

音頻測(cè)量顯示密封可與玻璃珠和中縫填膠一樣有效衰減音頻噪聲.制造商應(yīng)該了解到變壓器的結(jié)構(gòu)應(yīng)努力達(dá)成衰減噪聲的目的,確保在生產(chǎn)中保持一致.可以制造密封的變壓器,符合任何常規(guī)環(huán)境要求,但在音頻噪聲方面變化仍很大.

有些制造商擁有有效衰減音頻噪聲的專利技木,但這些技術(shù)和其它一些變通辦法一樣,在產(chǎn)品合格驗(yàn)證時(shí)應(yīng)在整個(gè)預(yù)朋溫度范圍內(nèi)測(cè)試.

變壓器制造商常常使用清漆來(lái)改善可靠性,它可以隔離濕氣,為細(xì)線增加耐久性.雖然清漆有益于降低音頻噪聲,設(shè)計(jì)者應(yīng)慎重使用清漆浸漬.

雖然與音頻噪聲無(wú)關(guān),用戶還是應(yīng)該了解清漆的高介電常數(shù)會(huì)導(dǎo)致初級(jí)繞組電容增大.這會(huì)降低變壓器的自諧振頻率,增大電源開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的尖峰電流,降低電源的功效.

變壓器設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

低峰值磁通密度產(chǎn)生的噪聲較低.如果需要更大地降低給定結(jié)構(gòu)的變壓器的音頻噪聲,設(shè)計(jì)者可以降低峰值磁通密度.變壓器的磁芯片間如果沒(méi)有粘合劑,峰值磁通密度從3000高斯降為2000高斯即可將發(fā)出的聲波降低10到15dB.恰當(dāng)?shù)恼澈峡墒雇蛔儔浩鞯脑肼暯档图s5dB.通常人類對(duì)10dB的聲壓級(jí)變化感知為2倍的聲響.

注意低峰值磁通密度的設(shè)計(jì)需要更多匝數(shù)和更大的氣隙,以給定的磁芯提供更大的輸出功率.匝數(shù)更多會(huì)使漏感增大,需要改變電路元件值以使其保持在器件規(guī)定范圍內(nèi),滿足產(chǎn)品的指標(biāo)要求.

音頻噪聲的大小既取決于通量持續(xù)時(shí)間,也取決于峰值磁通密度.對(duì)于給定的峰值磁通密度,從零到峰值再回到零的時(shí)間越短,產(chǎn)生的音頻噪聲越小.設(shè)計(jì)用于高頻工作的變壓器在功率轉(zhuǎn)換時(shí)受音頻信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生的音頻噪聲較小.

電路包裝注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)者在下與音頻噪聲相關(guān)的決定時(shí)應(yīng)考慮其電路的封裝.任何封裝都能顯著地削減電路插板發(fā)出的音頻噪聲.普通的不通風(fēng)的塑封能削弱約20dB的聲音.客戶應(yīng)當(dāng)在評(píng)估封裝對(duì)電路中所有元件的熱特性方面的影響.

音頻噪聲遠(yuǎn)景展望

開關(guān)電源轉(zhuǎn)換時(shí)的聲波輻射與電磁輻射類似.在這兩種情況下,設(shè)計(jì)者都需要用高級(jí)技木來(lái)克服一些不利因素.但與電磁輻射不同,沒(méi)有任何一種通用標(biāo)準(zhǔn)能讓設(shè)計(jì)者明確多低水平的聲波輻射是可以接受的,但經(jīng)過(guò)研究人員的不斷努力,相信在降低開關(guān)電源音頻噪聲方面,可以做得越來(lái)越好.