一、啸叫的定义

啸叫其实是一种干扰现象,因其频率刚好在人的听觉范围之内而产生的一种较为尖锐的声音。有些电源在轻载场景下,往往会由 PWM 模式转换为 PFM 模式,此时电源的开关频率会下降。例如电脑的 Vsb(standby 电源)节能电源的空载啸叫一般是由 Vsb 部分产生的,一些小功率的电源适配器也存在此问题,其线路一般采用单端反激 PWM 电路设计。本文讨论的啸叫一般表现是:电源在完全空载的情况下,耳朵可以听到尖锐的啸叫,如果增加负载,啸叫声会随之消失,直到满载都不会出现啸叫。

 

二、人耳能听到的声音频率的范围

通常情况下,人耳能听到的声音的频率为 20Hz~20KHz,其中最敏感的频率是 2KHz~3KHz,受过专门训练的人可能超过 20KHz。不同人的听觉是有差异的,同一个发出啸叫的电源,不同的人去听,其听到的结果一定是不同的,同一人的听觉也会随着年龄而衰退,老年人能听到的频率约为 50Hz~12000Hz,所以有好多老年人听力差,甚至耳聋。

 

人们在听到啸叫时,往往第一感觉就是可怕,有一种恐惧心理,认为可能存在一种潜在危机,不知哪一天会爆发出来,造成不可弥补的损失甚至有对人身安全造成危害,其实节能电源的啸叫并没有这么可怕,如果了解到其产生的原因及实际使用中会不会有啸叫,就觉得并没有那么可怕。

 

三、开关电源电路啸叫的原因

稳压电源电路输出的开关电流的频率,或周期性脉冲群的周期频率,或毛刺的周期频率落入 20~20kHz 的音频范围,且周期性变化的电流经过电感线圈而产生交变磁场,使得该电感线圈在交变磁场作用下像“喇叭”一样在几乎固定的频率上产生机械振动而发出啸叫。

 

啸叫声音的大小与电感绕制的质量有一定关系,绕制较松,其产生的啸叫声将较大。


引起 DC/DC 电路电感啸叫的因素

1、负载电流过大。DC/DC 芯片内部有一个限流保护电路,当负载超过 IC 内部的开关 MOS 管的最大电流时,限流电路检测电路就会调整芯片内部的占空比,或者停止工作,直到检测负载电流在标准范围内时,再重新启动正常的工作开关。

 

如果从停止开关到重启开关的时间周期正好是 20~20kHz 的频率范围内,就会导致电感的的震动频率被人听到。

 

2、负载电压过高。如果负载为空或轻负载,就会触发过压保护,停止开关,如果电压降下来,就会重启工作,从停止到重启的时间容易落在音频范围内。

 

3、电路产生自激。电源电路在设计时,稳定性不够,当负载产生变化时,容易自激,当自激的频率在音频范围内,将引起啸叫。

 

4、穿越频率落在 20~20kHz 的频率范围内。穿越频率通常为开关频率的 1/5 至 1/20,设计时需要撇开音频的频率范围,否则,将无法解决啸叫问题。

 

5、开关切换过冲较大。DC/DC 上管和下管切换的过程中,由于寄生电容、寄生电感的存在,将在上管开启的瞬间产生过冲,且幅度较大,导致在电感上施加周期性的过冲电压,从而引起啸叫声变大。

 

6、在我们使用一些具备轻载切换调制模式的开关电源控制的使用过程中,发现,以上的原因都不存在的情况下。还是会产生啸叫!

 

换 N 多电感都无济于事!

 

四、节能电源啸叫的原因

为了满足节能以及环保的需求,针对不同用途与不同的功耗范围,全球许多政府及能源机构的各种新的能耗标准纷纷出台,降低能耗成为了一项无法回避的重要议题,计算机生产企业对电源能耗也提出了更高的要求,对于开关式电源,降低待机能耗显得非常重要,因此许多电源生产企业采用了新的节能芯片代替原来的高能耗芯片。

 

节能芯片本身可以通过检测电路工作状态,在空载或轻载情况下自动调节开关频率,减少开关次数,从而降低能量的损耗而达到节能的效果,如下图(电源正常工作频率几十千赫到几百千赫):

 

开关电源是工作在高频开关的状态,其频率范围一般在几十千赫到几百千赫,在高频开关中会产生一些干扰。没有任何声音的电源也一直存在这些干扰,只是频率不在人的听觉范围之内,人的耳朵是无法听到的。

 

但是,现在随着节能减排的要求、移动设备的极大丰富。为了实现节能的要求,保持在低负载情况下高转换效率,PWM 芯片具备切换 PFM 的功能,在空载、轻载下其频率范围降低到了人的听觉范围之内,如果不采用其他抑制方法,人所能听到的啸叫问题是存在的。再者为了达到节能的目的,电路中往往不能焊接负载电阻(增加电阻之后,增加电源的输出功率),就更容易造成啸叫的问题。

 

五、实例

下图所示的 DC/DC 降压电路图为例,来说明如何解决电感的啸叫问题。

 

 

不同型号的 DCDC 电源芯片的开关频率不同。即使同样的外围电路,振荡频率也可能有差别,输出脉冲也有差异。如图所示是 MP4420 芯片的典型电路。R149 和 R150 为反馈电阻,调节 R149 和 R150 的值,可以调整输出电压 VO,VO=0.792*(1+R149/R150)。

 

L2 为输出电感,L2 电感量越大,则输出纹波越小,纹波的大小还会影响到输出电压调整的灵敏度。纹波越小,灵敏度越高,输出电压越稳定。L2 电感量越小,纹波越大,输出灵敏度越低,输出电压稳定度降低。

 

C222 为输出电容,C222 的 ESR 越小,则允许流经电容的纹波电流越大,保证电容使用寿命的同时,纹波电压也越小。另外,电容的容量越大,纹波电压也越小。

 

(1)啸叫的原因。

当电感线圈 L2 的振动频率落入音频范围(20Hz~20kHz)时,就会产生啸叫。MP4220 的输出稳压是以 PWM 方式实现的,当电路负载较小时,输出方波脉宽变窄,即占空比变小。当电路负载小于某个数值时,无法继续调整占空比。为了实现输出稳压,不同的芯片采用的方案不同:有的芯片通过降低开关频率来实现;有的芯片通过周期性的丢弃一些脉冲来实现。不管是降开关低频率还是周期性丢弃脉冲,如果调整后的开关电流的频率落入音频范围,就会产生啸叫。

 

(2)啸叫的解决方法。

解决啸叫问题的方法就是避免开关频率落在 20Hz~20kHz 范围内。方法有多种,具体如下。

①可以在 EN 管脚外接一个时钟源来控制使能,改变电源开关频率,避免开关电流频率落入音频范围,从而避免电感的啸叫。

②改善电感 L2 的工艺(如灌胶或增加浸漆工序等),减小振动。

③在纹波允许范围内,适当加大纹波幅度。如果需要,可以多加一级滤波。

 

3)实际测试开关电源电路波形。

实测电路图和波形如图所示

 

 

 

MP4220 在低负载的场景下进入了“节能模式”,开关频率从 410kHz 降低到了 138kHz。如果进一步降低负载,开关频率落入 20Hz~20kHz 范围,电感就会产生啸叫。