【導讀】直流開(kāi)關(guān)電源會(huì )產(chǎn)生可聞噪聲，常會(huì )聽(tīng)到輕微的嘯叫聲。那么，這種噪聲來(lái)自哪里，如何減少或消除呢？本文介紹的幾種簡(jiǎn)單方法可以在測量和設計應用時(shí)防止可聞噪聲；文章還將指出，現有或規劃好的直流電源電路PCB設計中常見(jiàn)的薄弱環(huán)節。 概述 人們普遍認為，片式多層陶瓷電容器（MLCC）或直流電源電路會(huì )產(chǎn)生可聞噪聲，事實(shí)并不是這樣。噪聲是由印刷電路板引起的，而不是組件本身。 圖1顯示了三個(gè)典型的評估板。本文將逐步揭示這些部件的噪聲，以及電路板尺寸及其安裝對噪聲產(chǎn)生的影響。
圖1: MPS評估板(1)
注:
1. 從左到右分別為：MPQ4590，640V非隔離式穩壓器，輸出電流高達400mA；MPQ4316，具有擴頻頻率和低靜態(tài)電流的45V/6A同步降壓變換器；MPQ4572，60V/2A高效全集成同步降壓變換器。
振源 當MLCC陶瓷電容器上的電壓由于壓電效應而變化時(shí)，電容器的幾何形狀也會(huì )發(fā)生變化，進(jìn)而導致振動(dòng) （見(jiàn)圖2）。
圖2: MLCC振動(dòng)
那么，PCB上的噪聲是如何產(chǎn)生的？直流電源電路中的哪些組件才是根源呢？
陶瓷電容器（MLCC）中的電壓變化會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)刺激。在聲音敏感的頻率范圍（0.1kHz至7kHz）內，很容易聽(tīng)到振動(dòng)。振動(dòng)再通過(guò)焊點(diǎn)傳遞到PCB，PCB就會(huì )猶如揚聲器膜片一樣發(fā)出可聞噪聲。
圖3 顯示了直流電源電路中的典型組件。其中，MLCC和PCB尺寸是產(chǎn)生可聞噪聲的關(guān)鍵因素，其他組件不會(huì )產(chǎn)生噪聲。
圖3：MLCC只是產(chǎn)生振動(dòng)刺激，而PCB才是噪聲源
并非所有MLCC都具有相同的行為特性。只有大容量的II類(lèi)和III類(lèi)MLCC會(huì )產(chǎn)生壓電效應。其他類(lèi)型的電容器、模壓電感、電阻和IC，在接有負載的情況下幾何形狀不會(huì )有任何變化。因此，其他組件均與可聞噪聲無(wú)關(guān)（請參見(jiàn)表1）。
表1：可聞和不可聞系統中的組件分類(lèi)
FCCM或AAM模式下的直流電源
在強制連續導通模式（FCCM）下工作的直流電源電路僅在語(yǔ)音敏感的音頻范圍內產(chǎn)生可聞噪聲（例如GSM脈沖或其他周期性負載），而較高的直流開(kāi)關(guān)電源頻率是無(wú)法聽(tīng)到的。
當直流電源電路以高級異步調制模式（AAM）工作時(shí)，輕載模式的開(kāi)關(guān)頻率可在20kHz以下的較低范圍內。AAM開(kāi)關(guān)頻率不是固定頻率，而是隨機的，這降低了噪聲的可聞程度。AAM僅在輕載電流下才有效，此時(shí)通常沒(méi)有強烈刺激，因此很少產(chǎn)生噪聲。
三種機械系統的比較
PCB上產(chǎn)生的可聞噪聲與弦樂(lè )器上產(chǎn)生聲音的方式相同（請參見(jiàn)圖4）。
圖4：PCB上的聲音與音樂(lè )
具體理論描述如下：
1. 刺激：系統接收輸入信號，即接收刺激。人耳對2kHz至5kHz之間的音頻最敏感，這與許多PCB的諧振頻率相同。刺激波形就像用手指彈吉他或用小錘敲弦一樣，起到狄拉克脈沖的作用，而許多部件都對頻率產(chǎn)生影響，例如PCB諧振、刺激敲弦以及PCB對可聞基頻和泛音的響應。當MLCC振動(dòng)頻率等于PCB諧振頻率時(shí)，會(huì )產(chǎn)生最大噪聲。
2. 振動(dòng)：振動(dòng)可以產(chǎn)生運動(dòng)。當振動(dòng)表面過(guò)小時(shí)，MLCC在自由空氣中的振動(dòng)是聽(tīng)不到的。這類(lèi)似于未經(jīng)放大很難聽(tīng)到振動(dòng)的樂(lè )器或琴弦。
3. 琴橋：振動(dòng)傳遞到音板，而琴橋（焊點(diǎn)）傳遞振動(dòng)。帶金屬焊條或插入基板的MLCC會(huì )衰減傳遞的振動(dòng)能量。
4. 音板：音板將振動(dòng)轉換為可聞噪聲。PCB就類(lèi)似于音板，也相當于揚聲器的膜片。
用麥克風(fēng)測量PCB噪聲
直流電源電路和PCB安裝架產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲和諧振頻率可以通過(guò)麥克風(fēng)和提供狄拉克脈沖刺激的小物件進(jìn)行測量。電容式麥克風(fēng)即是一個(gè)不錯的選擇，相比動(dòng)圈式麥克風(fēng)，它對MLCC的磁場(chǎng)敏感度較低。
用硬塑料或塑料鑷子制成的小棒當作簡(jiǎn)單的機械聽(tīng)診器，可以更容易聽(tīng)到可聞噪聲（見(jiàn)圖5）。而金屬物體會(huì )發(fā)出更大的聲音，有助于找到振動(dòng)幅度較高的點(diǎn)。
圖5：可聞噪聲測量裝置
比較上電和未上電麥克風(fēng)的測量結果，會(huì )發(fā)現其PCB諧振頻率完全相同（見(jiàn)圖6）。
上電狀態(tài)下：PCB被電信號激勵。250Hz的負載階躍使MLCC振動(dòng)，MLCC繼而以3900Hz的諧振頻率激勵PCB。
未上電狀態(tài)下：PCB受機械沖擊的激勵，用塑料棒短按一下，會(huì )導致PCB以3900Hz的諧振頻率機械振動(dòng)。
無(wú)論激勵類(lèi)型是機械還是電氣，都不會(huì )影響PCB的諧振頻率。機械沖擊測試可以顯示出被測PCB的聲學(xué)性能，只要PCB尺寸和連接點(diǎn)類(lèi)似，其行為也與后續系列PCB相似。
圖6：采用MPS的MPQ4572測量9cmx4cm全組裝系列SMT PCB
用唱機轉盤(pán)和麥克風(fēng)測量PCB噪聲
如果沒(méi)有壓電加速度計，可以簡(jiǎn)單地采用唱機轉盤(pán)測量PCB金剛石鋸片上精確的水平振動(dòng)（見(jiàn)圖7）。如果僅動(dòng)磁式或動(dòng)圈式唱頭不通電測量，則電容器電流的磁場(chǎng)會(huì )干擾信號。如果上電測試，則晶體唱頭是測量振動(dòng)的更佳選擇。在麥克風(fēng)測量整體噪聲時(shí)，唱頭或壓電加速度計可測量一個(gè)特定的點(diǎn)。
圖7：諧振頻率為2166Hz的9cmx9cm 雙面分層PCB板
下圖顯示出麥克風(fēng)在第二次敲擊期間引起機械彈跳。較大的唱頭振幅表示PCB以及帶唱臂的唱頭的水平移動(dòng)。這里的PCB在兩側受到支撐，且在轉盤(pán)的橡膠墊上方未固定。
圖8：測量可聞噪聲和單點(diǎn)振動(dòng)
表2 列出了在不同條件下的PCB諧振頻率。
表2：諧振頻率與PCB尺寸的關(guān)系
在實(shí)際設計過(guò)程中，可以將處于初步設計狀態(tài)的PCB機械模型用于首次測量。在測量諧振頻率之前，將PCB安裝在外殼中，然后對二者的組合進(jìn)行測量。
疊加的振動(dòng)頻率和PCB振動(dòng)傳遞函數
計算負載電流的快速傅立葉變換（FFT）（參見(jiàn)圖9），并將這些值與PCB模型的諧振頻率進(jìn)行比較。檢查計算出的頻率是否達到PCB諧振頻率。
圖9：250Hz方波的快速傅立葉變換（FFT）
PCB具有振動(dòng)傳遞函數，大致相當于一個(gè)機械二階諧振系統。該函數由質(zhì)量和彈簧常數組成，由PCB尺寸和剛度定義（見(jiàn)圖10）。
圖10: 簡(jiǎn)化的PCB振動(dòng)傳遞函數
將FFT與PCB振動(dòng)傳遞函數疊加，然后檢查PCB諧振是否存在重疊頻率。需考慮機械設計，并確保大的振動(dòng)幅度不要達到諧振頻率區域。
如何降低直流電源電路的噪聲
在PCB諧振頻率附近，可以清楚地聽(tīng)到振動(dòng)。需避免振動(dòng)頻率和諧振頻率的重疊。
對大多數PCB來(lái)說(shuō)，無(wú)法更改電激勵，但是可以通過(guò)以下方式更改PCB以避免聲學(xué)噪聲：
1. 將PCB的諧振頻率提高至盡可能高于振動(dòng)頻率。增加更多的連接點(diǎn)，以提高PCB的諧振頻率。
2. 增加PCB阻尼，在安裝點(diǎn)采用軟阻尼材料（例如塑料、橡膠）。
3. 減小PCB尺寸以提高諧振頻率。
4. 增大與阻尼材料接觸的區域以增加阻尼，從而減少可聞噪音。
結論
MLCC陶瓷電容器上的電壓變化會(huì )由于壓電效應而導致幾何形狀發(fā)生變化，進(jìn)而引起機械運動(dòng)。MLCC中產(chǎn)生的這種振動(dòng)通過(guò)焊點(diǎn)傳遞到PCB，PCB像揚聲器膜片一樣在聽(tīng)覺(jué)上將其放大。振動(dòng)的頻率分量、PCB的尺寸、質(zhì)量、彈簧常數以及安裝類(lèi)型決定了是否會(huì )產(chǎn)生可聞噪聲。
開(kāi)發(fā)DC PCB安裝架時(shí)，要注意將電路板與多個(gè)分散的安裝點(diǎn)連接，以增大諧振頻率。用減振材料固定以降低諧振頻率的質(zhì)量，同時(shí)避免振動(dòng)頻率激勵PCB的諧振頻率。硬件開(kāi)發(fā)人員應考慮電路板上的可聞噪聲是否會(huì )產(chǎn)生干擾，例如在安靜環(huán)境中的電話(huà)或監視器上。
必須先確定MLCC中由電負載范圍導致的預期頻譜，而且需要估算已規劃好且組裝好的PCB的諧振行為。有了這些信息，就可以預先優(yōu)化直流電源電路的結構和PCB設計。
本文介紹的方法可以幫助工程師估計是否會(huì )出現噪聲問(wèn)題，從而避免PCB的多次開(kāi)發(fā)。
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