大功率開關電源短路嘯叫原因分析

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大功率開關電源短路嘯叫原因分析

一、相信大家遇到過這種情況，測試開關電源或在實驗中有聽到類似產品打高壓不良的漏電聲響或高壓拉弧的聲音不請自來：其聲響或大或小，或時有時無；其韻律或深沉或刺耳，或變化無常者皆有。

當輸出負載較大,接近大功率開關電源功率極限時,開關變壓器可能會進入一種不穩定狀態:前一周期開關管占空比過大,導通時間過長,通;過高頻變壓器傳輸了過多的能量;直流整流的儲能電感本周期內能量未充分釋放,經PWM判斷,在下一個周期內沒有產生令開關管導通的驅動信號或占空比過小大功率開關電源開關管在之后的整個周期內為截止狀態,或者導通時間過短;儲能電感經過多于一整個周期的能量釋放,輸出電壓下降,開關管下一個周期內的占空比又會大……如此周而復始,使變壓器發生較低頻率(有規律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率)的振動,發出人耳可以聽到的較低頻率的聲音.此時的大功率開關電源變壓器工作在嚴重的超載狀態,時刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來,相信有些用戶曾經有過類似的經歷.空載,或者負載很輕時開關管也有可能出現間歇性的全截止周期,大功率開關電源變壓器同樣工作在超載狀態,同樣非常危險.

二、開關電源的嘯叫原因分析有如下幾點

1、截止狀態變壓器嘯叫(Transformer)浸回路漆不良正常工作：
包括未含浸凡立水(Varnish)。嘯叫并引起波形有尖刺，但一般帶載能力正常，特別說明：輸出功率越大者嘯叫越甚之,小功率者則表現不一定明顯。本人曾在一款72W的充電器產品中就有過帶載不良的經驗，并在此產品中發現對磁芯的材質有著嚴格的要求。(此款產品客戶要求較為嚴格)補充一點，當變壓器的設計欠佳也有可能工作時振動產生異響。
2、PWM嘯叫IC接地走截止狀態線失誤：
通常產品表現為會有部分能正常工作，但有部分產品卻無法帶載并有可能無法起振的故障，特別是應用某些低功耗IC時，更有可能無法正常工作。本人曾用過SG6848試板，由于當初沒有透徹了解IC的性能，憑著經驗便匆匆layout，結果試驗時竟然不能做寬電壓測試。悲哀呀！
3、超載狀態、光耦(OptoCoupler超載狀態截止狀態)工作電流點走線正常工作失誤通時
當光耦的工作電流電阻的位置連接在次級濾波電容之前時也會有嘯叫的可能，特別是當帶載越多時更甚。
4、低頻基準穩壓(嘯叫許多Regulator)IC截止周期TL431的接地線失誤：
同樣的次級的基準穩壓IC的接地和初級IC的接地一樣有著類似的要求，那就是都不能直接和變壓器的冷地熱地相連接。如果連在一起的后果就是帶載能力下降并且嘯叫聲和輸出功率的大小呈正比。當輸出負載較大，接近電源功率極限時，開關變壓器可能會進入一種不穩定狀態：前一周期開關管占空比過大，導通時間過長,通過高頻變壓器傳輸了過多的能量；直流整流的儲能電感本周期內能量未充分釋放，經PWM判斷在下一個周期內沒有產生令開關管導通的驅動信號或占空比過小；開關管在之后的整個周期內為截止狀態，或者導通時間過短；儲能電感經過多于一整個周期的能量釋放，輸出電壓下降，開關管下一個周期內的占空比又會大…如此周而復始，使變壓器發生較低頻率(有規律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率)的振動，發出人耳可以聽到的較低頻率的聲音。同時，輸出電壓波動也會較正常工作增大。當單位時間內間歇性全截止周期數量達到總周期數的一個可觀比例時，甚至會令原本工作在超聲頻段的變壓器振動頻率降低，進入人耳可聞的頻率范圍，發出尖銳的高頻哨叫。此時的開關變壓器工作在嚴重的超載狀態，時刻都有燒毀的可能這就是許多電源燒毀前慘叫的由來，相信有些用戶曾經有過類似的經歷。

5、空載或者負載很輕時
當這種情況時開關管也有可能出現間歇性的全截止周期，開關變壓器同樣工作在超載狀態，同樣非常危險。針對此問題，可通過在輸出端預置假負載的方法解決，但在一些“節省”的或大功率電源中仍偶有發生。

6、當不帶載或者負載太輕：
變壓器在工作時所產生的反電勢不能很好的被吸收。這樣變壓器就會耦合很多雜波信號到的繞組。這個雜波信號包括了許多不同頻譜的交流分量。其中也有許多低頻波，當低頻波與你變壓器的固有振蕩頻率一致時，那么電路就會形成低頻自激。變壓器的磁芯不會發出聲音。我們知道，人的聽覺范圍是20--20KHZ。所以我們在設計電路時，一般都加上選頻回路。以濾除低頻成份。最好是在反饋回路上加一個帶通電路，以防止低頻自激。或者是將開關電源做成固定頻率的即可。

三、通過高頻變壓器傳輸了過多的能量，開關變壓器可能會進入一種不穩定狀態，前一周期開關管占空比較大，導通時間過長，直流整流的儲能電感本周期內能量未充分釋放，經PWM判斷，下一個周期內沒有發生令開關管導通的驅動信號或占空比過小，開關管在之后的整個周期內為截止狀態，或者導通時間過短，儲能電感經過多于一整個周期的能量釋放，輸出電壓下降，當輸出負載較大,接近電源功率極限時。開關管下一個周期內的占空比又會大。

如此周而復始，使變壓器發生較低頻率(有規律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率)振動，發出人耳可以聽到較低頻率的聲音，同時，輸出電壓動搖也會較正常工作增大，當單位時間內間歇性全截止周期數量達到總周期數的一個可觀比例時，甚至會令原本工作在超聲頻段的變壓器振動頻率降低，進入人耳可聞的頻率范圍，發出尖銳的高頻“哨叫”此時的開關變壓器工作在嚴重的超載狀態，時刻都有燒毀的可能—這就是許多電源燒毀前“慘叫”由來，相信有些用戶曾經有過類似的經歷，空載，或者負載很輕時開關管也有可能呈現間歇性的全截止周期，開關變壓器同樣工作在超載狀態，同樣非常危險。

針對此問題，可通過在輸出端預置假負載的方法解決，但在一些“節省”或大功率開關電源中仍偶有發生。當不帶載或者負載太輕時，變壓器在工作時所產生的反電勢不能很好的被吸收。這樣變壓器就會耦合很多雜波信號到繞組。

這個雜波信號包括了許多不同頻譜的交流分量，其中也有許多低頻波，當低頻波與你變壓器的固有振蕩頻率一致時，那么電路就會形成低頻自激。變壓器的磁芯不會發出聲音，知道，人的聽覺范圍是20--20KHZ所以我設計電路時，一般都加上選頻回路，以濾除低頻成份。

四、電感嘯叫的原因

如果耳朵能聽到嘯叫(吱吱聲)，可以肯定電感兩端存在一個20HZ-20KHZ(人耳范圍)左右的開關電流。
例如DC-DC電路的電感嘯叫，由于負載電流過大
DC內部有一個限流保護電路，當負載超過IC內部的開關(MOS)電流時，限流檢測電路判斷負載電流過大，會立即調整DAC內部開關占空比，或者立即停止開關工作，直到檢測負載電流在標準范圍內時，在重新啟動正常的工作開關。從停止開關到重啟開關的時間周期正好是幾KHZ的頻率，正因為這個周期的開關頻率產生嘯叫
改善對策：降低負載電流或更換功率稍大的DC-DC，更改輸出電容等方法
負載電流或電壓過大導致
電感引起的噪聲問題：
電感--由于電流變化產生的感應電壓引起傳輸線效應，突變，串擾，開關噪聲，軌道塌陷，地彈和大大多數電磁干擾源(EMI)
例如：
數字電路具有噪聲，飽和邏輯(例如TTL和CMOS)在開關過程中會短暫地從電源吸入大電流，從而在數字地上引起的噪聲就會很大，但由于邏輯級的抗擾度可達數百毫伏以上(由于電感引起--電流變化產生的感應電壓)
電感加入磁芯，主要目的是為了提高電感線圈的電感(或互感)量。
反動電勢：
反電動勢是指有反抗電流發生改變的趨勢而產生電動勢，其本質上屬于感應電動勢。
反動電勢的由來：電流的變化引起磁場的變化。根據麥克斯韋的說法，變化磁場的周圍會產生電場，電場對其中的電荷會有電場力，電場力是非靜電力，產生電動勢

電源適配器生產廠家當電流是從小增加到大時，產生的反向電動勢的方向與原電壓方向相同。當電流從大到小時，產生的反向電動勢的方向與原電壓方向相反。

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