電源輕載嘯叫案例

一、嘯叫的定義

嘯叫其實(shí)是一種干擾現(xiàn)象，因其頻率剛好在人的聽(tīng)覺(jué)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(chǎng)景下，往往會(huì)由PWM模式轉(zhuǎn)換為PFM模式，此時(shí)電源的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)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(wèn)題，其線路一般采用單端反激PWM電路設(shè)計(jì)。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(tīng)到尖銳的嘯叫，如果增加負(fù)載，嘯叫聲會(huì)隨之消失，直到滿載都不會(huì)出現(xiàn)嘯叫。

二、人耳能聽(tīng)到的聲音頻率的范圍

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

人們?cè)诼?tīng)到嘯叫時(shí)，往往第一感覺(jué)就是可怕，有一種恐懼心理，認(rèn)為可能存在一種潛在危機(jī)，不知哪一天會(huì)爆發(fā)出來(lái)，造成不可彌補(bǔ)的損失甚至有對(duì)人身安全造成危害，其實(shí)節(jié)能電源的嘯叫并沒(méi)有這么可怕，如果了解到其產(chǎn)生的原因及實(shí)際使用中會(huì)不會(huì)有嘯叫，就覺(jué)得并沒(méi)有那么可怕。

三、開(kāi)關(guān)電源電路嘯叫的原因

穩(wěn)壓電源電路輸出的開(kāi)關(guān)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(guò)電感線圈而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使得該電感線圈在交變磁場(chǎng)作用下像“喇叭”一樣在幾乎固定的頻率上產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而發(fā)出嘯叫。

嘯叫聲音的大小與電感繞制的質(zhì)量有一定關(guān)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(fù)載電流過(guò)大。DC/DC芯片內(nèi)部有一個(gè)限流保護(hù)電路，當(dāng)負(fù)載超過(guò)IC內(nèi)部的開(kāi)關(guān)MOS管的最大電流時(shí)，限流電路檢測(cè)電路就會(huì)調(diào)整芯片內(nèi)部的占空比，或者停止工作，直到檢測(cè)負(fù)載電流在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)，再重新啟動(dòng)正常的工作開(kāi)關(guān)。

如果從停止開(kāi)關(guān)到重啟開(kāi)關(guān)的時(shí)間周期正好是20~20kHz的頻率范圍內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致電感的的震動(dòng)頻率被人聽(tīng)到。

2、負(fù)載電壓過(guò)高。如果負(fù)載為空或輕負(fù)載，就會(huì)觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)，停止開(kāi)關(guān)，如果電壓降下來(lái)，就會(huì)重啟工作，從停止到重啟的時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)，穩(wěn)定性不夠，當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生變化時(shí)，容易自激，當(dāng)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(kāi)關(guān)頻率的1/5至1/20，設(shè)計(jì)時(shí)需要撇開(kāi)音頻的頻率范圍，否則，將無(wú)法解決嘯叫問(wèn)題。

5、開(kāi)關(guān)切換過(guò)沖較大。DC/DC上管和下管切換的過(guò)程中，由于寄生電容、寄生電感的存在，將在上管開(kāi)啟的瞬間產(chǎn)生過(guò)沖，且幅度較大，導(dǎo)致在電感上施加周期性的過(guò)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(kāi)關(guān)電源控制的使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)，以上的原因都不存在的情況下。還是會(huì)產(chǎn)生嘯叫！

換N多電感都無(wú)濟(jì)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(duì)不同用途與不同的功耗范圍，全球許多政府及能源機(jī)構(gòu)的各種新的能耗標(biāo)準(zhǔn)紛紛出臺(tái)，降低能耗成為了一項(xiàng)無(wú)法回避的重要議題，計(jì)算機(jī)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)電源能耗也提出了更高的要求，對(duì)于開(kāi)關(guān)式電源，降低待機(jī)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(lái)的高能耗芯片。

節(jié)能芯片本身可以通過(guò)檢測(cè)電路工作狀態(tài)，在空載或輕載情況下自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)次數(shù)，從而降低能量的損耗而達(dá)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(kāi)關(guān)電源是工作在高頻開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)中會(huì)產(chǎn)生一些干擾。沒(méi)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(tīng)覺(jué)范圍之內(nèi)，人的耳朵是無(wú)法聽(tīng)到的。

但是，現(xiàn)在隨著節(jié)能減排的要求、移動(dòng)設(shè)備的極大豐富。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能的要求，保持在低負(fù)載情況下高轉(zhuǎn)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(tīng)覺(jué)范圍之內(nèi)，如果不采用其他抑制方法，人所能聽(tīng)到的嘯叫問(wèn)題是存在的。再者為了達(dá)到節(jié)能的目的，電路中往往不能焊接負(fù)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(wèn)題。

五、實(shí)例

下圖所示的DC/DC降壓電路圖為例，來(lái)說(shuō)明如何解決電感的嘯叫問(wèn)題。

不同型號(hào)的DCDC電源芯片的開(kāi)關(guān)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(huì)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(shí)，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(dāng)電感線圈L2的振動(dòng)頻率落入音頻范圍（20Hz~20kHz）時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生嘯叫。MP4220的輸出穩(wěn)壓是以PWM方式實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電路負(fù)載較小時(shí)，輸出方波脈寬變窄，即占空比變小。當(dāng)電路負(fù)載小于某個(gè)數(shù)值時(shí)，無(wú)法繼續(xù)調(diào)整占空比。為了實(shí)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(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)；有的芯片通過(guò)周期性的丟棄一些脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。不管是降開(kāi)關(guān)低頻率還是周期性丟棄脈沖，如果調(diào)整后的開(kāi)關(guān)電流的頻率落入音頻范圍，就會(huì)產(chǎn)生嘯叫。

（2）嘯叫的解決方法。

解決嘯叫問(wèn)題的方法就是避免開(kāi)關(guān)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(gè)時(shí)鐘源來(lái)控制使能，改變電源開(kāi)關(guān)頻率，避免開(kāi)關(guān)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(dòng)。

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

3）實(shí)際測(cè)試開(kāi)關(guān)電源電路波形。

實(shí)測(cè)電路圖和波形如圖所示

MP4220在低負(fù)載的場(chǎng)景下進(jìn)入了“節(jié)能模式”，開(kāi)關(guān)頻率從410kHz降低到了138kHz。如果進(jìn)一步降低負(fù)載，開(kāi)關(guān)頻率落入20Hz~20kHz范圍，電感就會(huì)產(chǎn)生嘯叫。