可聴電源ノイズ

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背景

今日のスイッチング電源の設計要件は、全負荷時だけでなく、ケーブルが切断されたときのスリープモードまたは無負荷状態での効率要件によっても左右されます。電力システム・インテグレータは、電源の負荷状態に関係なく、国際エネルギースタープログラム、80 PLUS、欧州委員会のCoCのような機関からの新しい規制に適合する必要があります。

これらの要件を満たすために、電源装置はスイッチング周波数を20kHz未満、場合によっては数kHzまで下げる必要があります。人間の耳は20kHz未満の周波数の音を聞くことができるため (2kHzから5kHzの間で最も感度が高い)、可聴ノイズは逃しにくく、非常に煩わしくなります。これは、電話やラップトップのチャージャ、すべてのリビングルームにあるLEDドライバなどの民生用アプリケーションに特に当てはまります。

電源ノイズの原因

可聴ノイズの影響を最も受けやすい電源部品は、通常、MLCセラミックコンデンサ、インダクタ、またはトランスです。インダクタやトランスなどの磁気部品は、コイルの逆圧電効果やコアの磁歪などの物理的効果をもたらす周波数の高電圧パルスによってストレスを受けます。

逆圧電効果と磁歪は、印加された電気エネルギーを機械的な力に変換するメカニズムです。この機械的な力により、コイルまたはコアが振動し、その周囲の空気が移動し、音波として現れます。その結果、これらの電源部品の機械的自己共振周波数 (SRF) に対処する必要があります。これらの振動は共振周波数で何倍にも増幅されるためです。

まず、機械的SRFを測定して、可聴ノイズの範囲内にあるかどうかを確認します。もしそうなら、この共鳴に寄与する要因を特定してください。最後に、設計段階でスイッチング周波数の範囲を制限する電気パラメータを選択します。メカニカルSRFを回避することで、ノイズを軽減しやすくなります。

機械的自己共振

機械的自己共振が研究されており、使用できる制御を特定および定義するためのモデルがあります。1つの特定のモデルは、フックの法則です。図1は、ばね質量システムの方程式を示しています。このシステムは、インダクタのヘリカルコイルと、磁気部品がはんだ付けされるPCBアセンブリの質量に似ています。

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図1: PCBアセンブリへのフックの法則の適用

赤いボールの質量 (m) は、PCBアセンブリの質量と同じです。変位 (x) は、逆圧電効果または磁歪の力によって発生します。加えられる力とボードの重量の関係は、2次微分方程式として最もよく説明されます (図2を参照)

図2: 微分方程式としてのフックの法則

したがって、この質量ばねシステムの共振周波数は、式 (1) で計算できます。

$$f_{R}=\frac {1}{2\pi} \sqrt \frac{k}{m} $$

ここで、kはばねの剛性定数、mは質量です。

実験的なセットアップ

この実験に使用された電力コンバータは、MPSのMP174Aであり、周波数を調整可能な定ピーク電流レギュレータです。このデバイスは、負荷電流と出力電力の変化に比例してスイッチング周波数を変化させて、レギュレーションを維持します。

図3は、ドラムコアインダクタによって生成される可聴ノイズを測定し、機械的自己共振周波数 (SRF) を見つけるためのラボのセットアップを示しています。音の測定には、スペクトラム分析アプリと電話のマイクが使用されました。電話は常にインダクタから5cmの位置に置かれていました。コンバータの負荷電流を変化させてさまざまなスイッチング周波数をスイープし、結果として生じる音を電話で測定しました。

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 図3: 実験的なセットアップ

オシロスコープは、さまざまな負荷電流でスイッチング周波数を測定し、各負荷電流で音を測定しました。オシロスコープの波形は、各負荷電流で電話機によって測定された周波数ピークと一致しました。負荷電流は10%から80%まで変化しました。全負荷の80%を超える測定は、スイッチング周波数が可聴範囲 (>20kHz) の外にあるため行われませんでした。

図4は、負荷電流の1つでキャプチャされた波形を示しています。13.16kHzの周波数は、13.242kHzでのドラムコアインダクタからのサウンドのピークをキャプチャしたアプリによって生成されたスペクトルと一致しました。

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図4: スイッチノードの波形

可聴ノイズスペクトル

可聴ノイズは、電話のマイクによって録音されました。次に、電話にインストールされたスペクトル分析アプリを使用して、すべてのノイズ周波数とそれぞれのデシベルレベル (dB) をプロットし、音の音量を測定しました。

グラフィカル分析

可聴ノイズの周波数は、スイッチング波形とスペクトラム分析アプリで測定された可聴ノイズの相関関係により、スイッチング周波数と同じです (図5を参照)。ただし、12.4kHzのスイッチング周波数でノイズピークが観察されます。

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図5: オーディオスペクトラム

このピークは、1Wの出力電力でノイズ振幅が10dB増加することを示しています。このピークは、インダクタの機械的自己共振周波数によるものです。このノイズピークは、11kHzと13kHzの間のスイッチング周波数を避けることで軽減できます。MP174Aの場合のようにピーク電流を一定に保つ代わりに、線形に減少させ、ノイズの「ピーク」を避けるために 13kHzの一定のスイッチング周波数を維持することができます。 その後、出力電力が1W未満に低下すると、ピーク電流を一定に保つことができ、スイッチング周波数は 11kHzから低い周波数まで直線的に減少します。

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図6: ノイズ (dB) と電力 (W) 対周波数

ソリューションスペース

この寄稿文で詳しく説明する制御戦略は、磁性部品の機械的SRFに近すぎる特定のスイッチング周波数をスキップするように変更できます。磁性部品は、共振周波数が20kHzを超えるか、または必要な最小スイッチング周波数よりもはるかに低い周波数で設計され、出力電力範囲全体にわたってレギュレーション内に留まります。人間の耳は、2kHzから5kHzの間で最も敏感です。巻線の剛性定数を変更すると、共振周波数も変更できます。

共振周波数を変更する1つの方法は、マグネットワイヤの張力を減らして共振周波数を下げることです。サービスループを作成して、マグネットワイヤがボビンピンに接続されているときにマグネットワイヤの歪みを解放することも、剛性定数の低減に役立ちます。

スイッチングレギュレータをより高いピーク電流の変数に置き換えると、自己共振周波数を除いた異なる範囲のスイッチング周波数が提供される可能性があり、可聴ノイズの問題を解決できる可能性があります。SRFが1つのタイプの機械構造のスイッチング周波数範囲外になる可能性があるため、マグネットアセンブリの形式またはその機械構造を変更すると、可聴ノイズを減らすことができます。そのような例は、シールドされたコアとシールドされていないコアの比較や、同じインダクタンス値をもつ異なる製造メーカーにも見られます。

結論

電源の可聴ノイズに対処するには、いくつかの解決策があります。特定の周波数を回避するように制御戦略を変更したり、ピーク電流を変更したりするなどのソリューションにより、可聴ノイズを減らすことができます。磁気回路設計を変更して剛性定数を変更したり、ボードの重量やコイルの構造を変更したりすると、ノイズを軽減することもできます。これらの方法の1つまたは複数を組み合わせて使用すると、電源装置の可聴ノイズを除去または最小限に抑えることができます。

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