Ograniczanie pisków generowanych przez zasilacze impulsowe
| Prezentacje firmowe ZasilaniePodczas przebywania w samochodzie hałas silnika jest czymś zupełnie naturalnym. W jego komorze znajduje się mnóstwo ruchomych części, które siłą rzeczy muszą produkować dźwięki podczas poruszania się. Niektórzy ludzie uznają te dźwięki za przyjemne i wręcz za nieodłączną część samochodu, a producenci mają nawet całe działy badawcze zajmujące się tworzeniem przyjemnych wrażeń akustycznych.
Zupełnie inaczej wygląda sytuacja zasilaczy impulsowych. Wszelkie hałasy, takie jak szumienie, buczenie czy piszczenie, można interpretować jako sygnał ostrzegawczy zbliżającego się uszkodzenia czy oznakę złej jakości wykonania. Mimo, że zasilacze składają się z dużej liczby komponentów, podczas pracy żaden z nich nie powinien się ruszać, a co za tym idzie zasilacz, wcale nie powinien hałasować. Sprawa niestety wygląda nieco inaczej, bo możliwych źródeł hałasu jest wiele.
Ludzka percepcja dźwięków
Człowiek jest w stanie usłyszeć fale dźwiękowe w zakresie częstotliwości od 16 Hz do około 20 kHz (rys. 1). To, czy dźwięk postrzegany jest jako drażniący czy irytujący, zależy głównie od środowiska, w którym jest generowany. Przemysłowy zasilacz, który generuje słyszalny sygnał akustyczny, prawdopodobnie nie będzie stanowił problemu dla ludzi, ponieważ jego dźwięk zleje się z innymi odgłosami tła, a pracownicy odczują go jako normalną część warunków pracy panujących w fabrykach. Zasilacze w komputerach również wydają z siebie dźwięki, są one jednak maskowane przez odgłosy wentylatorów i stanowią normalną część pracy z komputerem stacjonarnym.
Szum systemu chłodzenia może maskować piski generowane przez zasilacze. Jest to efekt powszechnie zbadany w psychoakustyce, wykorzystywany między innymi do kompresji dźwięku w plikach MP3. W środowisku, takim jak biuro, reakcja na dźwięki zasilacza może okazać się zupełnie inna niż w fabryce – będą postrzegane jako irytujące, a nawet mogą budzić obawy co do bezpieczeństwa. Niezwykle ważna jest przez to możliwość stłumienia hałasów w inny sposób niż zamaskowanie ich innym dźwiękiem, ponieważ nie zawsze jest to możliwe.
Magnetostrykcja i efekt piezoelektryczny
Jeśli przewód, przez który płynie prąd, znajduje się w polu magnetycznym, oddziałuje na niego siła, której wpływ jest największy, gdy kierunki prądu i pola magnetycznego tworzą kąt 90º. W tych przypadkach siła jest pionowa względem przepływu prądu i kierunku pola magnetycznego. Kierunek siły można określić poprzez tak zwaną zasadę 3 palców (rys. 2). Transformatory pod wpływem tej siły poddawane są magnetostrykcji – zjawisku powstawania odkształceń mechanicznych w ferromagnetykach na skutek oddziaływania pola magnetycznego. Pole magnetyczne powoduje nieznaczną zmianę kształtu rdzeni, co tworzy z nich małe głośniki i skutkuje charakterystycznym piskiem.
Kolejną przyczyną niechcianych hałasów jest efekt piezoelektryczny. Napięcie przyłożone do dielektryków i związane z nim pole elektryczne wywołuje zmiany ciśnienia wewnętrznego i zmianę wymiarów materiału. Tak samo jak w przypadku magnetostrykcji, zmiany rozmiaru skutkują powstawaniem hałasu, np. w kondensatorach, materiałach izolacyjnych.
Drgają i piszczą ponadto przewody, przez które płyną duże prądy związane z modulacją PWM, gdyż pole magnetyczne, jakie powstaje wokół nich, wywołuje drgania i przemieszczanie ich pozycji względem punktów montażowych i karkasów.
Pętla sprzężenia zwrotnego
Dążenie do coraz bardziej wydajnej konwersji mocy oznacza, że praca ze zmienną topologią konwersji mocy jest stosowana nawet w najprostszych produktach zasilających. Częstotliwość podstawowa wybierana w takich konstrukcjach leży powyżej granicy ludzkiej percepcji (> 20 kHz). Jednak w rozwiązaniach przełączających, które polegają na zmianie częstotliwości przełączania w celu dostosowania do zmieniającego się obciążenia i napięcia wejściowego, może spaść do zakresu słyszalnego w celu utrzymania optymalnej wydajności konwersji. To samo dotyczy rozwiązań z gubieniem impulsów. Piszczą też zasilacze, gdzie pętla sprzężenia zwrotnego została kiepsko skompensowana i zasilacz się podwzbudza (rys. 4). W tym miejscu warto przejrzeć elementy obwodu sprzężenia zwrotnego w tym jakość użytych elementów izolujących (optoizolatorów).
Określanie i eliminacja źródeł hałasu
Ponieważ zasilacze impulsowe są stale miniaturyzowane, coraz trudniejsze jest określenie, który dokładnie element jest źródłem pisków. Zakładając, że zasilacz działa poprawnie z elektrycznego punktu widzenia, jednym ze sposobów na wykrycie źródła hałasu jest użycie nieprzewodzącego prądu przedmiotu, na przykład drewnianego patyczka, do wywarcia lekkiego nacisku na poszczególne elementy na płytce drukowanej podczas pracy. Wszelkie zmiany dźwięku, zwłaszcza podczas naciskania elementów szczególnie podejrzanych o bycie źródłem emisji, takich jak elementy ceramiczne, może stanowić cenną informację o źródle i przyczynie. Również użycie najprostszego stetoskopu może pozwolić na lokalizację źródła hałasu.
Aby sprawdzić, czy ceramiczny kondensator wydaje dźwięki, warto zastąpić go tymczasowo innym elementem z alternatywnym dielektrykiem, na przykład ceramiczny zastąpić foliowym metalizowanym. Jeśli po wymianie zaobserwowano zmniejszenie się hałasu, należy rozważyć usunięcie tego elementu. Piszczący element można zamienić na dwa mniejsze, przenieść w inne miejsce na PCB lub zmienić mozaikę ścieżek, aby stłumić rezonans.
Jeśli źródłem hałasu są komponenty magnetyczne, pierwszym krokiem powinno być sprawdzenie, czy są one mechanicznie stabilne (sklejone, polakierowane) a napięcie oraz prąd wyjściowy mieszczą się w wymaganym zakresie. Rdzenie można zalać lakierem lub elastyczną zalewą, dodać opaskę lub przymocować silniej do PCB, dodać podkładki gumowe. Przewody wyjściowe z transformatorów można skręcić i wygiąć.
Kolejnym sposobem na ograniczenie pisków jest użycie filtra, podobnie jak w przypadku filtrowania sygnału analogowego. Wyjściowy kondensator może służyć jako część filtra reagująca na impedancję wyjściową obwodu zasilacza. Zwiększenie jej wartości poskutkuje zmniejszeniem piszczenia. Przy stosowaniu tego rozwiązania należy wziąć pod uwagę, że kondensatory mają zarówno zastępczą rezystancję szeregową (ESR), jak i równoważną indukcyjność szeregową (ESL). Wybór kondensatora z niskim ESR i ESL znacząco obniży poziom dźwięku, jednak niektóre zasilacze mogą przez to stać się niestabilne.
Należy pamiętać, że w każdym wymienionym podejściu niezbędne będzie powtórzenie testów produkcyjnych i nie gwarantują one w 100% całkowitego usunięcia niechcianych dźwięków.
Podsumowanie
Zarówno efekt magnetostrykcji, jak i piezoelektryczny najczęściej odpowiadają za słyszalne dźwięki emitowane przez zasilacze. Pomimo postępów w przeprowadzaniu symulacji piszczenie jest wykrywane dopiero po zbudowaniu prototypu, a czasami dopiero po uruchomieniu produkcji. Chociaż większość dźwięków w zasilaczach nie powinna budzić obaw z punktu widzenia funkcjonalności lub bezpieczeństwa, może być denerwująca, a nawet postrzegana przez klientów jako oznaka złej jakości produktu. Pomimo olbrzymich starań producentów, w dalszym ciągu ciężko jest stworzyć idealnie cichy zasilacz w konkurencyjnej cenie.
Rich Miron, Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/
