開關電源電路嘯叫的原因

一、嘯叫的定義

嘯叫其實是一種干擾現象，因其頻率剛好在人的聽覺范圍之內而產生的一種較為尖銳的聲音。有些電源在輕載場景下，往往會由PWM模式轉換為PFM模式，此時電源的開關頻率會下降。例如電腦的Vsb(standby電源)節能電源的空載嘯叫一般是由Vsb部分產生的，一些小功率的電源適配器也存在此問題，其線路一般采用單端反激PWM電路設計。本文討論的嘯叫一般表現是：電源在完全空載的情況下，耳朵可以聽到尖銳的嘯叫，如果增加負載，嘯叫聲會隨之消失，直到滿載都不會出現嘯叫。

二、人耳能聽到的聲音頻率的范圍

通常情況下，人耳能聽到的聲音的頻率為20Hz～20KHz，其中最敏感的頻率是2KHz～3KHz，受過專門訓練的人可能超過20KHz。不同人的聽覺是有差異的，同一個發出嘯叫的電源，不同的人去聽，其聽到的結果一定是不同的，同一人的聽覺也會隨著年齡而衰退，老年人能聽到的頻率約為50Hz～12000Hz，所以有好多老年人聽力差，甚至耳聾。

人們在聽到嘯叫時，往往第一感覺就是可怕，有一種恐懼心理，認為可能存在一種潛在危機，不知哪一天會爆發出來，造成不可彌補的損失甚至有對人身安全造成危害，其實節能電源的嘯叫并沒有這么可怕，如果了解到其產生的原因及實際使用中會不會有嘯叫，就覺得并沒有那么可怕。

三、開關電源電路嘯叫的原因

穩壓電源電路輸出的開關電流的頻率，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過電感線圈而產生交變磁場，使得該電感線圈在交變磁場作用下像“喇叭”一樣在幾乎固定的頻率上產生機械振動而發出嘯叫。

嘯叫聲音的大小與電感繞制的質量有一定關系，繞制較松，其產生的嘯叫聲將較大。

引起DC/DC電路電感嘯叫的因素

1、負載電流過大。DC/DC芯片內部有一個限流保護電路，當負載超過IC內部的開關MOS管的最大電流時，限流電路檢測電路就會調整芯片內部的占空比，或者停止工作，直到檢測負載電流在標準范圍內時，再重新啟動正常的工作開關。

如果從停止開關到重啟開關的時間周期正好是20~20kHz的頻率范圍內，就會導致電感的的震動頻率被人聽到。

2、負載電壓過高。如果負載為空或輕負載，就會觸發過壓保護，停止開關，如果電壓降下來，就會重啟工作，從停止到重啟的時間容易落在音頻范圍內。

3、電路產生自激。電源電路在設計時，穩定性不夠，當負載產生變化時，容易自激，當自激的頻率在音頻范圍內，將引起嘯叫。

4、穿越頻率落在20~20kHz的頻率范圍內。穿越頻率通常為開關頻率的1/5至1/20，設計時需要撇開音頻的頻率范圍，否則，將無法解決嘯叫問題。

5、開關切換過沖較大。DC/DC上管和下管切換的過程中，由于寄生電容、寄生電感的存在，將在上管開啟的瞬間產生過沖，且幅度較大，導致在電感上施加周期性的過沖電壓，從而引起嘯叫聲變大。

6、在我們使用一些具備輕載切換調制模式的開關電源控制的使用過程中，發現，以上的原因都不存在的情況下。還是會產生嘯叫!

換N多電感都無濟于事!

四、節能電源嘯叫的原因

為了滿足節能以及環保的需求，針對不同用途與不同的功耗范圍，全球許多政府及能源機構的各種新的能耗標準紛紛出臺，降低能耗成為了一項無法回避的重要議題，計算機生產企業對電源能耗也提出了更高的要求，對于開關式電源，降低待機能耗顯得非常重要，因此許多電源生產企業采用了新的節能芯片代替原來的高能耗芯片。

節能芯片本身可以通過檢測電路工作狀態，在空載或輕載情況下自動調節開關頻率，減少開關次數，從而降低能量的損耗而達到節能的效果，如下圖(電源正常工作頻率幾十千赫到幾百千赫)：

開關電源是工作在高頻開關的狀態，其頻率范圍一般在幾十千赫到幾百千赫，在高頻開關中會產生一些干擾。沒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覺范圍之內，人的耳朵是無法聽到的。

但是，現在隨著節能減排的要求、移動設備的極大豐富。為了實現節能的要求，保持在低負載情況下高轉換效率，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覺范圍之內，如果不采用其他抑制方法，人所能聽到的嘯叫問題是存在的。再者為了達到節能的目的，電路中往往不能焊接負載電阻(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題。

五、實例

下圖所示的DC/DC降壓電路圖為例，來說明如何解決電感的嘯叫問題。

不同型號的DCDC電源芯片的開關頻率不同。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，調節R149和R150的值，可以調整輸出電壓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，紋波的大小還會影響到輸出電壓調整的靈敏度。紋波越小，靈敏度越高，輸出電壓越穩定。L2電感量越小，紋波越大，輸出靈敏度越低，輸出電壓穩定度降低。

C222為輸出電容，C222的ESR越小，則允許流經電容的紋波電流越大，保證電容使用壽命的同時，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。

當電感線圈L2的振動頻率落入音頻范圍(20Hz~20kHz)時，就會產生嘯叫。MP4220的輸出穩壓是以PWM方式實現的，當電路負載較小時，輸出方波脈寬變窄，即占空比變小。當電路負載小于某個數值時，無法繼續調整占空比。為了實現輸出穩壓，不同的芯片采用的方案不同：有的芯片通過降低開關頻率來實現;有的芯片通過周期性的丟棄一些脈沖來實現。不管是降開關低頻率還是周期性丟棄脈沖，如果調整后的開關電流的頻率落入音頻范圍，就會產生嘯叫。

(2)嘯叫的解決方法。

解決嘯叫問題的方法就是避免開關頻率落在20Hz~20kHz范圍內。方法有多種，具體如下。

①可以在EN管腳外接一個時鐘源來控制使能，改變電源開關頻率，避免開關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。

③在紋波允許范圍內，適當加大紋波幅度。如果需要，可以多加一級濾波。

3)實際測試開關電源電路波形。

實測電路圖和波形如圖所示