Tłumienie hałasu akustycznego w zasilaczach impulsowych

Topologie z przełącznikami i pętle sprzężenia zwrotnego

Dążenie do coraz bardziej efektywnej konwersji mocy oznacza, że nawet najprostsze produkty zasilające będą się charakteryzowały topologią z przełącznikiem. Częstotliwość przełączania w takich urządzeniach jest często ustalana tak, aby znajdowała się powyżej granicy ludzkiej percepcji (>20kHz). Jednakże w rozwiązaniach opartych na przełączaniu, które wykorzystują częstotliwość przełączania, żeby dostosować się do zmieniającego się obciążenia i napięcia na wejściu, może ona spaść do zakresu słyszalnego przez człowieka, aby utrzymać optymalną wydajność konwersji.

W rozwiązaniach o stałej częstotliwości, funkcje takie jak pomijanie cykli lub praca w trybie impulsowym, mogą powodować przełączanie w zakresie słyszalnym, mimo że sama częstotliwość przełączania znajduje się powyżej 20kHz. Jeśli wyświetlają się regularne impulsy przełączające, które przerywane są w nieregularny sposób okresami przynajmniej dwóch pominiętych impulsów, może to wskazywać na problemy z obwodem sprzężenia zwrotnego (ilustracja 4). W tym miejscu warto zapoznać się z elementami obwodów sprzężenia zwrotnego i rejonem pracy transoptorów.

Ilustracja 4: W projektach wykorzystujących przełączanie o stałej częstotliwości, problemy z obwodem sprzężenia zwrotnego mogą prowadzić do nieregularnych okresów, w których nie są wysyłane żadne impulsy (dolny wykres). (Źródło obrazu: TRACO)

Identyfikowanie i rozwiązywanie problemów związanych z hałasem akustycznym

Jako że zasilacze impulsowe są coraz bardziej kompaktowe, co spowodowane jest dążeniem do coraz większych gęstości mocy, dokładne określenie, który element jest źródłem słyszalnego hałasu, może być niezwykle trudne. Przy założeniu, że z punktu widzenia elektroniki konstrukcja jest prawidłowa, jedną z dostępnych metod rozwiązania problemu jest wykorzystanie nieprzewodzącego przedmiotu, takiego jak drewniana pałeczka, i lekkie naciskanie poszczególnych elementów na płytce drukowanej podczas pracy urządzenia. Dobrym punktem wyjścia mogą być zmiany hałasu lub zmniejszenie poziomu ich głośności, szczególnie w głównych komponentach, takich jak urządzenia ceramiczne lub magnetyczne.

W przypadku braku bezpiecznego nieprzewodzącego próbnika można po prostu wykorzystać trąbkę zrobioną z kartki papieru. Wystarczy zwinąć ją w stożek i skierować mniejszy otwór w stronę elementów, które podejrzewamy o generowanie hałasu.

Okazuje się, że ceramiczne kondensatory, które podlegają wysokim wahaniom dv/dt, często generują szumy oraz występują w układach poziomujących i obwodach ograniczających, jak również w stopniach wyjściowych. Aby sprawdzić, czy są one źródłem hałasu, można je zastąpić kondensatorami z alternatywnymi izolatorami elektrycznymi, takimi jak folie metalizowane, lub zwiększyć rezystancję szeregową (ilustracja 5). Jeśli poziom hałasu akustycznego zmniejszy się, warto rozważyć wymianę elementu na stałe.

Ilustracja 5: Kondensator w obwodzie ograniczającym można wymienić na kondensator z folią metalizowaną. Inną możliwością jest zastosowanie większej rezystancji. (Źródło obrazu: ©TRACO)

Może również pomóc wprowadzenie zmian do układów poziomujących tak, aby wykorzystywały diody Zenera. Problematyczne kondensatory wyjściowe można wymienić na wykorzystujące inne izolatory elektryczne lub zastąpić je kondensatorami ceramicznymi w połączeniu równoległym o równoważnej wartości, jeśli mamy wystarczająco dużo miejsca.

Jeśli źródłem hałasu są elementy magnetyczne, należy najpierw upewnić się, że napięcie na wejściu i obciążenie na wyjściu znajdują się w określonym zakresie. Jeśli napięcie na wejściu czasami zbyt mocno spada, pomocne może być zwiększenie pojemności po stronie wejściowej. Lakierowanie zanurzeniowe transformatorów oraz lakierowanie zanurzeniowe i wypełnianie żywicą cewek indukcyjnych to jedna z metod redukcji szumów. Transformatory zawierające długi rdzeń mają tendencję do silniejszego rezonowania niż transformatory o krótkich rdzeniach. Jeśli to możliwe, należy rozważyć wymianę rdzenia na krótszy, który będzie mógł jednak pomieścić wymaganą liczbę uzwojeń.

Należy pamiętać, że w przypadku wszystkich wymienionych metod z dużym prawdopodobieństwem będzie trzeba powtarzać proces weryfikacji i testy produkcyjne.

Podsumowanie

Za generowanie hałasu przez zasilacze odpowiedzialne są przede wszystkim oddziaływania siły przewodników prądu na pola magnetyczne oraz odwrotne zjawisko piezoelektryczne w kondensatorach. Pomimo postępów w symulacjach, hałas akustyczny jest zazwyczaj zauważalny dopiero po fizycznej realizacji projektu, a czasami dopiero po przygotowaniu pewnej liczby zasilaczy do procesu przedprodukcyjnego.

Chociaż większość dźwięków wydawanych przez zasilacze powinna budzić jedynie niewielkie obawy, jeśli chodzi o funkcjonalność i bezpieczeństwo, to mogą być one irytujące, a nawet postrzegane przez klientów jako problem związany z niską jakością produktu. Postępując zgodnie z podanymi powyżej prostymi wskazówkami, można szybko zidentyfikować elementy, które są źródłem hałasu i przy pomocy zaproponowanych metod wymienić je, ponownie przymocować lub zamienić na inne w celu zminimalizowania lub całkowitego wyeliminowania generowanych dźwięków.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © DigiKey

Autorzy: Florian Haas, Director of Marketing TRACO Power Group, Mark Schoppel, Application & Technical Sales Engineer, Traco Electronic GmbH, Axel Schütz, Technical Sales Engineer, Traco Electronic GmbH