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於壓電效應而變化時
，電容器的幾何形狀也會發生變化，進而導致振動 （見圖2）。 

 

圖2: MLCC振動

 

那麼，PCB上的噪聲是如何產生的？直流電源電路中的哪些組件才是根源呢？

 

陶瓷電容器（MLCC）中的電壓變化會產生振動刺激。在聲音敏感的頻率範圍（0.1kHz至7kHz）內，很容易聽到振動。振動再通過焊點傳遞到PCB，PCB就會猶如揚聲器膜片一樣發出可聞噪聲。

 

圖3 顯示了直流電源電路中的典型組件。其中
，MLCC和PCB尺寸是產生可聞噪聲的關鍵因素，其他組件不會產生噪聲。 

 

圖3：MLCC隻是產生振動刺激，而PCB才是噪聲源

 

並非所有MLCC都具有相同的行為特性。隻有大容量的II類和III類MLCC會產生壓電效應。其他類型的電容器、模壓電感、電阻和IC
，在接有負載的情況下幾何形狀不會有任何變化。因此，其他組件均與可聞噪聲無關（請參見表1）。

 

表1：可聞和不可聞係統中的組件分類

 

FCCM或AAM模式下的直流電源

 

在強製連續導通模式（FCCM）下工作的直流電源電路僅在語音敏感的音頻範圍內產生可聞噪聲（例如GSM脈衝或其他周期性負載）
，而較高的直流開關電源頻率是無法聽到的。

 

當直流電源電路以高級異步調製模式（AAM）工作時，輕載模式的開關頻率可在20kHz以下的較低範圍內。AAM開關頻率不是固定頻率
，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，此時通常沒有強烈刺激
，因此很少產生噪聲。

 

三種機械係統的比較

 

PCB上產生的可聞噪聲與弦樂器上產生聲音的方式相同（請參見圖4）。 

 

圖4：PCB上的聲音與音樂

 

具體理論描述如下：

 

1. 刺激：係統接收輸入信號，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，起到狄拉克脈衝的作用
，而許多部件都對頻率產生影響，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振動頻率等於PCB諧振頻率時，會產生最大噪聲。

 

2. 振動：振動可以產生運動。當振動表麵過小時，MLCC在自由空氣中的振動是聽不到的。這類似於未經放大很難聽到振動的樂器或琴弦。

 

3. 琴橋：振動傳遞到音板，而琴橋（焊點）傳遞振動。帶金屬焊條或插入基板的MLCC會衰減傳遞的振動能量。

 

4. 音板：音板將振動轉換為可聞噪聲。PCB就類似於音板，也相當於揚聲器的膜片。

 

用麥克風測量PCB噪聲

 

直流電源電路和PCB安(an)裝(zhuang)架(jia)產(chan)生(sheng)的(de)聲(sheng)學(xue)噪(zao)聲(sheng)和(he)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)麥(mai)克(ke)風(feng)和(he)提(ti)供(gong)狄(di)拉(la)克(ke)脈(mai)衝(chong)刺(ci)激(ji)的(de)小(xiao)物(wu)件(jian)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。電(dian)容(rong)式(shi)麥(mai)克(ke)風(feng)即(ji)是(shi)一(yi)個(ge)不(bu)錯(cuo)的(de)選(xuan)擇(ze)

，相(xiang)比(bi)動(dong)圈(quan)式(shi)麥(mai)克(ke)風(feng)，它(ta)對(dui)MLCC的磁場敏感度較低。

 

用硬塑料或塑料鑷子製成的小棒當作簡單的機械聽診器，可以更容易聽到可聞噪聲（見圖5）。而金屬物體會發出更大的聲音，有助於找到振動幅度較高的點。 

 

圖5：可聞噪聲測量裝置

 

比較上電和未上電麥克風的測量結果，會發現其PCB諧振頻率完全相同（見圖6）。

 

上電狀態下：PCB被電信號激勵。250Hz的負載階躍使MLCC振動
，MLCC繼而以3900Hz的諧振頻率激勵PCB。

 

未上電狀態下：PCB受機械衝擊的激勵，用塑料棒短按一下，會導致PCB以3900Hz的諧振頻率機械振動。

 

無論激勵類型是機械還是電氣，都不會影響PCB的諧振頻率。機械衝擊測試可以顯示出被測PCB的聲學性能，隻要PCB尺寸和連接點類似，其行為也與後續係列PCB相似。 

 

圖6：采用MPS的MPQ4572測量9cmx4cm全組裝係列SMT PCB

 

用唱機轉盤和麥克風測量PCB噪聲

 

如果沒有壓電加速度計，可以簡單地采用唱機轉盤測量PCB金剛石鋸片上精確的水平振動（見圖7）。ruguojindongcishihuodongquanshichangtoubutongdianceliang，zedianrongqidianliudecichanghuiganraoxinhao。ruguoshangdianceshi，zejingtichangtoushiceliangzhendongdegengjiaxuanze。zaimaikefengceliangzhengtizaoshengshi
，changtouhuoyadianjiasudujikeceliangyigetedingdedian。 

 

圖7：諧振頻率為2166Hz的9cmx9cm 雙麵分層PCB板

 

下圖顯示出麥克風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。這裏的PCB在兩側受到支撐，且在轉盤的橡膠墊上方未固定。 

 

圖8：測量可聞噪聲和單點振動

 

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尺寸的關係

 

在實際設計過程中
，可以將處於初步設計狀態的PCB機械模型用於首次測量。在測量諧振頻率之前，將PCB安裝在外殼中，然後對二者的組合進行測量。

 

疊加的振動頻率和PCB振動傳遞函數

 

計算負載電流的快速傅立葉變換（FFT）（參見圖9）
，並將這些值與PCB模型的諧振頻率進行比較。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具有振動傳遞函數，大致相當於一個機械二階諧振係統。該函數由質量和彈簧常數組成，由PCB尺寸和剛度定義（見圖10）。 

 

圖10: 簡化的PCB振動傳遞函數

 

將FFT與PCB振動傳遞函數疊加
，然後檢查PCB諧振是否存在重疊頻率。需考慮機械設計，並確保大的振動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，可以清楚地聽到振動。需避免振動頻率和諧振頻率的重疊。

 

對大多數PCB來說，無法更改電激勵，但是可以通過以下方式更改PCB以避免聲學噪聲：

 

1. 將PCB的諧振頻率提高至盡可能高於振動頻率。增加更多的連接點，以提高PCB的諧振頻率。

2. 增加PCB阻尼，在安裝點采用軟阻尼材料（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由於壓電效應而導致幾何形狀發生變化，進而引起機械運動。MLCC中產生的這種振動通過焊點傳遞到PCB，PCB像揚聲器膜片一樣在聽覺上將其放大。振動的頻率分量、PCB的尺寸
、質量、彈簧常數以及安裝類型決定了是否會產生可聞噪聲。

 

開發DC PCB安(an)裝(zhuang)架(jia)時(shi)，要(yao)注(zhu)意(yi)將(jiang)電(dian)路(lu)板(ban)與(yu)多(duo)個(ge)分(fen)散(san)的(de)安(an)裝(zhuang)點(dian)連(lian)接(jie)，以(yi)增(zeng)大(da)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)。用(yong)減(jian)振(zhen)材(cai)料(liao)固(gu)定(ding)以(yi)降(jiang)低(di)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)的(de)質(zhi)量(liang)
，同(tong)時(shi)避(bi)免(mian)振(zhen)動(dong)頻(pin)率(lv)激(ji)勵(li)PCB的諧振頻率。硬件開發人員應考慮電路板上的可聞噪聲是否會產生幹擾，例如在安靜環境中的電話或監視器上。

 

必須先確定MLCC中由電負載範圍導致的預期頻譜，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出現噪聲問題，從而避免PCB的多次開發。  

 

 

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