大功率开关电源短路啸叫原因分析

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大功率开关电源短路啸叫原因分析

一、相信大家遇到过这种情况，测试开关电源或在实验中有听到类似产品打高压不良的漏电声响或高压拉弧的声音不请自来：其声响或大或小，或时有时无；其韵律或深沉或刺耳，或变化无常者皆有。

当输出负载较大,接近大功率开关电源功率极限时,开关变压器可能会进入一种不稳定状态:前一周期开关管占空比过大,导通时间过长,通;过高频变压器传输了过多的能量;直流整流的储能电感本周期内能量未充分释放,经PWM判断,在下一个周期内没有产生令开关管导通的驱动信号或占空比过小大功率开关电源开关管在之后的整个周期内为截止状态,或者导通时间过短;储能电感经过多于一整个周期的能量释放,输出电压下降,开关管下一个周期内的占空比又会大……如此周而复始,使变压器发生较低频率(有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率)的振动,发出人耳可以听到的较低频率的声音.此时的大功率开关电源变压器工作在严重的超载状态,时刻都有烧毁的可能——这就是许多电源烧毁前“惨叫”的由来,相信有些用户曾经有过类似的经历.空载,或者负载很轻时开关管也有可能出现间歇性的全截止周期,大功率开关电源变压器同样工作在超载状态,同样非常危险.

二、开关电源的啸叫原因分析有如下几点

1、截止状态变压器啸叫(Transformer)浸回路漆不良正常工作：
包括未含浸凡立水(Varnish)。啸叫并引起波形有尖刺，但一般带载能力正常，特别说明：输出功率越大者啸叫越甚之,小功率者则表现不一定明显。本人曾在一款72W的充电器产品中就有过带载不良的经验，并在此产品中发现对磁芯的材质有着严格的要求。(此款产品客户要求较为严格)补充一点，当变压器的设计欠佳也有可能工作时振动产生异响。
2、PWM啸叫IC接地走截止状态线失误：
通常产品表现为会有部分能正常工作，但有部分产品却无法带载并有可能无法起振的故障，特别是应用某些低功耗IC时，更有可能无法正常工作。本人曾用过SG6848试板，由于当初没有透彻了解IC的性能，凭着经验便匆匆layout，结果试验时竟然不能做宽电压测试。悲哀呀！
3、超载状态、光耦(OptoCoupler超载状态截止状态)工作电流点走线正常工作失误通时
当光耦的工作电流电阻的位置连接在次级滤波电容之前时也会有啸叫的可能，特别是当带载越多时更甚。
4、低频基准稳压(啸叫许多Regulator)IC截止周期TL431的接地线失误：
同样的次级的基准稳压IC的接地和初级IC的接地一样有着类似的要求，那就是都不能直接和变压器的冷地热地相连接。如果连在一起的后果就是带载能力下降并且啸叫声和输出功率的大小呈正比。当输出负载较大，接近电源功率极限时，开关变压器可能会进入一种不稳定状态：前一周期开关管占空比过大，导通时间过长,通过高频变压器传输了过多的能量；直流整流的储能电感本周期内能量未充分释放，经PWM判断在下一个周期内没有产生令开关管导通的驱动信号或占空比过小；开关管在之后的整个周期内为截止状态，或者导通时间过短；储能电感经过多于一整个周期的能量释放，输出电压下降，开关管下一个周期内的占空比又会大…如此周而复始，使变压器发生较低频率(有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率)的振动，发出人耳可以听到的较低频率的声音。同时，输出电压波动也会较正常工作增大。当单位时间内间歇性全截止周期数量达到总周期数的一个可观比例时，甚至会令原本工作在超声频段的变压器振动频率降低，进入人耳可闻的频率范围，发出尖锐的高频哨叫。此时的开关变压器工作在严重的超载状态，时刻都有烧毁的可能这就是许多电源烧毁前惨叫的由来，相信有些用户曾经有过类似的经历。

5、空载或者负载很轻时
当这种情况时开关管也有可能出现间歇性的全截止周期，开关变压器同样工作在超载状态，同样非常危险。针对此问题，可通过在输出端预置假负载的方法解决，但在一些“节省”的或大功率电源中仍偶有发生。

6、当不带载或者负载太轻：
变压器在工作时所产生的反电势不能很好的被吸收。这样变压器就会耦合很多杂波信号到的绕组。这个杂波信号包括了许多不同频谱的交流分量。其中也有许多低频波，当低频波与你变压器的固有振荡频率一致时，那么电路就会形成低频自激。变压器的磁芯不会发出声音。我们知道，人的听觉范围是20--20KHZ。所以我们在设计电路时，一般都加上选频回路。以滤除低频成份。最好是在反馈回路上加一个带通电路，以防止低频自激。或者是将开关电源做成固定频率的即可。

三、通过高频变压器传输了过多的能量，开关变压器可能会进入一种不稳定状态，前一周期开关管占空比较大，导通时间过长，直流整流的储能电感本周期内能量未充分释放，经PWM判断，下一个周期内没有发生令开关管导通的驱动信号或占空比过小，开关管在之后的整个周期内为截止状态，或者导通时间过短，储能电感经过多于一整个周期的能量释放，输出电压下降，当输出负载较大,接近电源功率极限时。开关管下一个周期内的占空比又会大。

如此周而复始，使变压器发生较低频率(有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率)振动，发出人耳可以听到较低频率的声音，同时，输出电压动摇也会较正常工作增大，当单位时间内间歇性全截止周期数量达到总周期数的一个可观比例时，甚至会令原本工作在超声频段的变压器振动频率降低，进入人耳可闻的频率范围，发出尖锐的高频“哨叫”此时的开关变压器工作在严重的超载状态，时刻都有烧毁的可能—这就是许多电源烧毁前“惨叫”由来，相信有些用户曾经有过类似的经历，空载，或者负载很轻时开关管也有可能呈现间歇性的全截止周期，开关变压器同样工作在超载状态，同样非常危险。

针对此问题，可通过在输出端预置假负载的方法解决，但在一些“节省”或大功率开关电源中仍偶有发生。当不带载或者负载太轻时，变压器在工作时所产生的反电势不能很好的被吸收。这样变压器就会耦合很多杂波信号到绕组。

这个杂波信号包括了许多不同频谱的交流分量，其中也有许多低频波，当低频波与你变压器的固有振荡频率一致时，那么电路就会形成低频自激。变压器的磁芯不会发出声音，知道，人的听觉范围是20--20KHZ所以我设计电路时，一般都加上选频回路，以滤除低频成份。

四、电感啸叫的原因

如果耳朵能听到啸叫(吱吱声)，可以肯定电感两端存在一个20HZ-20KHZ(人耳范围)左右的开关电流。
例如DC-DC电路的电感啸叫，由于负载电流过大
DC内部有一个限流保护电路，当负载超过IC内部的开关(MOS)电流时，限流检测电路判断负载电流过大，会立即调整DAC内部开关占空比，或者立即停止开关工作，直到检测负载电流在标准范围内时，在重新启动正常的工作开关。从停止开关到重启开关的时间周期正好是几KHZ的频率，正因为这个周期的开关频率产生啸叫
改善对策：降低负载电流或更换功率稍大的DC-DC，更改输出电容等方法
负载电流或电压过大导致
电感引起的噪声问题：
电感--由于电流变化产生的感应电压引起传输线效应，突变，串扰，开关噪声，轨道塌陷，地弹和大大多数电磁干扰源(EMI)
例如：
数字电路具有噪声，饱和逻辑(例如TTL和CMOS)在开关过程中会短暂地从电源吸入大电流，从而在数字地上引起的噪声就会很大，但由于逻辑级的抗扰度可达数百毫伏以上(由于电感引起--电流变化产生的感应电压)
电感加入磁芯，主要目的是为了提高电感线圈的电感(或互感)量。
反动电势：
反电动势是指有反抗电流发生改变的趋势而产生电动势，其本质上属于感应电动势。
反动电势的由来：电流的变化引起磁场的变化。根据麦克斯韦的说法，变化磁场的周围会产生电场，电场对其中的电荷会有电场力，电场力是非静电力，产生电动势

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| 发布时间：2017.08.10 来源：东莞市电源厂家

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