開關電源音頻噪聲抑制技術

作者:林森

    電子和磁性元件的振蕩頻率在人耳聽覺范圍內時,會產生能聽見的信號.這種現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生討厭的交流噪聲.如果負載以音頻元件調制,以恒定超聲頻率工作的開關功率轉換器也會產生音頻噪聲.

    低功率電平時,音頻信號通常與轉換器無關.但是,設計人員可能希望降低其電路的聲波發射.低功率AC-DC轉換器中,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.高頻開關轉換器中的鐵氧體變壓器也采用了類似的技木.

    過去常用高級音頻工程設備來研究開關電源的聲波輻射.這種裝置可以非常精確地測量絕對聲壓級和聲譜,但人類對聲音的感覺是很主觀的.很難說多大的聲音是能聽到的,更難以確定的是在特定應用中多大的聲音會被認為是難以忍受的噪聲.

    聲波輻射與電磁輻射相似,但沒有用于衡量聽覺容忍度的通用基準.因此,設計者可以依據以下方針來處理與音頻噪聲相關的問題,減少產品的聲音輻射.

電容噪聲

    所有的絕緣材料在電場的壓力下均會變形,這種電致伸縮效應與電場強度的平方成正比.有些絕緣介質還呈現壓電效應,即與電場強度成正比的線性位移.壓電效應通常是電容產生噪聲的主要途徑.

    廉價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生壓電效應.困而,這些元件會比線性絕緣成份的電容產生更多的噪聲.開關電源中,電壓偏移最大的箱位電路中的電容最有可能產生音頻噪聲.

    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替換.薄膜電容是性價比不錯的替代品.但應注意替換品是否能經受得住反復的尖峰電流和電壓應力.

    另一種具有價格競爭力的選擇是用齊納箝位電路來替代RCD箝位電路.齊納箝位的價格已與RCD箝位的相當,但占用的空間小得多而效率更高.

變壓器噪聲

    在大多數反激式轉換器應用中,變壓器是主要的音頻噪聲源.試驗板上第一個變壓器原型產生的噪聲往往令人吃驚.采用眾所周知的恰當的結構技巧將基本上消除噪聲而不增加額外的費用.在裝配原型變壓器時要注意成品性能的可重復性.

    有一些機制會產生變壓器噪聲,每種都會產生發出聲音的機械位移.這些機制包括:

．相對運動—磁芯兩部分間的吸引力使其移動,壓迫將其分隔的介質.

．撞擊—如果兩塊磁芯的表面能接觸,它們響應磁通激勵而移動會使二者碰撞或刮擦.

．彎曲—僅在EE或EI結構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—磁芯片的位移可通過骨架傳送和放大.

．線圈移動．線圈中的電流產生移動這些導線的吸引力和排斥力.

    移動源共同作用,形成了復雜的機械系統,它能在人耳聽力范圍內的一個或幾個頻點上,產生強烈的共振.10W以下離線反激式轉換器常用的結構一般產生10k Hz到 20k Hz的共振.當磁通激勵的基頻或其諧波經過機械共振區域時,移動發出聲音.設計者應全程變換負載以檢驗音頻噪聲,特別是需要動態負載時.

    這些機制產生噪聲的大小根據各自所處的不同位置決定.幸運的是,設計者可以應用簡單的結構技術來有效衰減各種機制產生的音頻噪聲.

結構技術

    幾種可以降低變壓器音頻噪聲的方法在制作時都需要正確使用恰當的粘合劑.

變壓器制造商和用戶的評價證明這些技木適于大批量消費類應用.

本文詳細描述了兩種結構技木供喜愛其它電源的用戶參考,但客戶應充分測試其應用所需的所有元件.

變壓器用粘合劑

制作變壓器時使用粘合劑是業界所周知的.不同的膠、粘合劑、涂層和封裝能幫助變壓器抵受機械沖擊,排除環境污染,達到安全標準.針對這些目的,在使用粘合劑來降低音頻噪聲時有一些特定的注意事項.

粘合劑應是剛性的.硬環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效.變壓器制造商們處在可以根據需要選擇適當材料的有利地位,因為他們通常有最適合其獨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移動,另外也可以衰減變壓器的機械共振.

但是,誤用．粘合劑會產生折斷磁芯的機械應力.溫度變化時,變壓器結構材料的尺寸變化不同.如果各部分不能靠移動補償這些尺寸變化,就會產生機械應力.鐵氧體、骨架和粘合劑的有限移動也會產生足以導致材料失效的應力.因此,粘合劑過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造變壓器時使用粘合劑的技巧.第一種方法避免了所有與機械應力相關的問題.它可以用于各種兩片式磁芯結構,甚至在音頻噪聲無關緊要的應用中也非常有用.另一種技木必須在設計進行適當的溫度測試后小心使用.

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.對稱結構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立,防止機械應力.所需的均勻間距可通過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結構.EE結構中的各磁芯腳等長,無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.

用玻璃隔珠設計和構造變壓器的過程很簡單、直接、經濟.下一節將講述此主題.

用玻璃隔珠設計和構造變壓器

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

如何選擇適當尺寸的玻璃珠

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

當氣隙長度標準時,采用玻璃膠和采用磁芯中縫的設計過程相同.設計使用玻璃膠結構的變壓器時,必須知道各磁芯的Al和準備選用的玻璃珠的規格.工藝、過程和磁芯成分的不同會改變表中的值,完全有可能需要不同尺寸的玻璃球才能獲得最佳設計.因此,設計者可能需要與自己特定工藝相配合的改進的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環境而不同.例如,在高度自動化的生產線上進行的大批量生產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,以及混合的細節.

大批量自動化生產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械特性相關.

小批量生產更適用單一粘合劑,它在100℃以上溫度的凝固時間超過1小時.玻璃珠在使用前與粘合劑混合,或從供應商處購買適當的已混合好的產品.

粘合劑的粘性應足以保持玻璃球形成均勻分散的懸浮體.附錄列出了一些實驗用和中型批量效果良好的產品.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,能提供大多數應用所需的高性能.盡管在此理論中各磁芯腿僅需一粒以保持所需間距,但實際上每條引腳中仍應有足夠的珠子來保持粘合劑接觸面平行.據估計,混合的玻璃珠少于5%時,很可能有的引腳沒有玻璃珠,而超過20%的混合物會因過于濃稠而無法可靠應用和粘合.最后的結果會根據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.假設在最貴的情況下每磅需要100美元(每克0.22美元),一個變壓器中玻璃珠的成本為0.00044美元,即0.044美分.

構造提示

用玻璃膠裝配變壓器的方法有多種.本節對實驗室正樣和小批量試生產給出了一些可行的建議．

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

．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.在構造過程中使用一次性塑料注射器(又稱移液吸管)可很好地分配.

．每個位置上的粘合劑必須足以完全填滿兩個配合面間的氣隙.氣泡會使變壓器產生更多的音頻噪聲.但應注意中間引腳上不要使用過多的粘合劑.

．將骨架放在涂有膠水的E型磁芯中,將另一個鐵氧體磁芯(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.

在粘合時變壓器的電感可能改變,特別是用較小尺寸玻璃珠的設計中.可以預期的變化量由加工過程決定,但如果過程控制良好,結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計的滲透性變化不那么敏感,設計者應確保固化后的電感在限定的范圍內.在最后的電感測試時能發現磁芯外側腿上沒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于其它結構,還是有一些制造廠商使用粘合劑和傳統的中縫結構.此變通辦法能有效地降低音頻噪聲的產生,但用戶必須對每個設計進行測試以確保在預朋的極限溫度下,機械應力不會導致應用中的結構失效.

由于不同供應商的磁芯強度相差很大,用戶必須去信任鐵氧體材料的來源.各變壓器的磁芯強度必須足以承受磁芯中腿氣隙結構中無可避免的機械應力.

各設計的合格證明應包括覆蓋最終產品和變壓器本身運輸所需整個溫度范圍內的熱應力測試.比如,最終產品所需的最低工作溫度可能為0℃,但產品或變壓器的空運將使其暴露在-40℃的低溫中.

手持式設備的電源充電器和交流適配器等合格產品通常需要經過熱沖擊試驗,此指標通常要求32個從-40℃到85℃間的溫度周期.每個周期中,在兩種極限溫度下各保持一小時,而在15秒以內轉換到另一種溫度.某些應用要求在-40℃到100℃極限值間變換.

用戶應徹底了解其應用以確定正確的測試條件.幾百個不同設計的變壓器均按上述指標執行溫沖試驗.可以看到許多采用中縫填硬膠的變壓器發生失效,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構卻沒有失效的現象.

采用氣隙設計的變壓器在大批見生產時,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,但外部檢查無法探測到內部失效,但可山工作中音頻噪聲增大判定.

中縫小于0.1mm的變壓器失效的風險較小.熱膨脹系數很高的硬膠會使間隙較小的磁芯破裂.山于機械應力比使用硬膠小得多,使用軟膠沒有裂紋問題,但軟膠衰減音頻噪聲的效果差得多.

使用中縫膠構造變壓器

兩個粘合在一起的E型磁芯片的每條腳上涂上粘合劑.對帶中縫的EE磁芯結構來說,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.在使用玻璃珠的結構中,沒有沿整個骨架長度粘合是很重要的.結構必須允許骨架和磁芯相應溫度變化獨立改變其尺寸.

粘合過程

粘膠的應用和過程很重要,特別是在面包板上的變壓器原型的制造過程中,此過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,但無法按預期衰減噪聲.必須保持粘合過程的一致性,才能產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構技巧.

配合面間增加粘膠可以減少變壓器由于膠水固化時膨脹而產生的電感,特別是最初的缺口很小時.設計者應確保固化后電感在限定范圍內.開始時中間腿應留下一個小缺口,以補償外側腿上粘膠的厚度.

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.大多數有噪聲的變壓器的中縫都沒有完全填滿.如果中間腿的膠水沒有空隙,分離磁芯片露出外側腳的配合面.檢查整個表面的粘合情況.

由于膠水的特性決定鐵氧體的機械應力,進行熱測試的原型變壓器使用的粘合劑必須與大批量生產時使用的完全相同.

其它結構技術

需要完全密封”(陶封)的磁性元件的應用通常無需降低音頻噪聲的額外處理.制造商有時用密封來滿足特殊環境要求,或在空間狹窄的應用中滿足絕緣要求.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.制造商應該了解到變壓器的結構應努力達成衰減噪聲的目的,確保在生產中保持一致.可以制造密封的變壓器,符合任何常規環境要求,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,但這些技術和其它一些變通辦法一樣,在產品合格驗證時應在整個預朋溫度范圍內測試.

變壓器制造商常常使用清漆來改善可靠性,它可以隔離濕氣,為細線增加耐久性.雖然清漆有益于降低音頻噪聲,設計者應慎重使用清漆浸漬.

雖然與音頻噪聲無關,用戶還是應該了解清漆的高介電常數會導致初級繞組電容增大.這會降低變壓器的自諧振頻率,增大電源開關導通時的尖峰電流,降低電源的功效.

變壓器設計中的注意事項

低峰值磁通密度產生的噪聲較低.如果需要更大地降低給定結構的變壓器的音頻噪聲,設計者可以降低峰值磁通密度.變壓器的磁芯片間如果沒有粘合劑,峰值磁通密度從3000高斯降為2000高斯即可將發出的聲波降低10到15dB.恰當的粘合可使同一變壓器的噪聲降低約5dB.通常人類對10dB的聲壓級變化感知為2倍的聲響.

注意低峰值磁通密度的設計需要更多匝數和更大的氣隙,以給定的磁芯提供更大的輸出功率.匝數更多會使漏感增大,需要改變電路元件值以使其保持在器件規定范圍內,滿足產品的指標要求.

音頻噪聲的大小既取決于通量持續時間,也取決于峰值磁通密度.對于給定的峰值磁通密度,從零到峰值再回到零的時間越短,產生的音頻噪聲越小.設計用于高頻工作的變壓器在功率轉換時受音頻信號激勵產生的音頻噪聲較小.

電路包裝注意事項

設計者在下與音頻噪聲相關的決定時應考慮其電路的封裝.任何封裝都能顯著地削減電路插板發出的音頻噪聲.普通的不通風的塑封能削弱約20dB的聲音.客戶應當在評估封裝對電路中所有元件的熱特性方面的影響.

音頻噪聲遠景展望

開關電源轉換時的聲波輻射與電磁輻射類似.在這兩種情況下,設計者都需要用高級技木來克服一些不利因素.但與電磁輻射不同,沒有任何一種通用標準能讓設計者明確多低水平的聲波輻射是可以接受的,但經過研究人員的不斷努力,相信在降低開關電源音頻噪聲方面,可以做得越來越好.