降压转换器,吱吱声/啸叫电感器

电器工程 直流-直流转换器 电感器 降压 tl494
2022-01-18 11:17:47

我的自制降压转换器有问题。它基于带有我的分立 MOSFET 驱动器的 TL494 控制芯片。问题是当输出电流超过某个值时,我的电感器会发出吱吱声和呜呜声。

作为电感器,我首先使用了一个来自旧 ATX PSU 的普通环形扼流圈(黄色,一个白色的面)。但是我注意到它真的变热了,这不是我的铜线的损耗,而是核心不适合开关应用,而是用于过滤目的。然后我拆了一个小的铁氧体变压器,把我自己的电感绕在上面,但它又发出了吱吱声。

然后我认为这可能是由于磁芯没有理想地粘合在一起,所以我决定在更大的变压器上进行此操作(可能是 EPCOS E 30/15/7,中心部分为圆形,但不幸的是我不知道该磁芯中使用的材料以及是否有间隙),但这次小心地拆下绕组而不拆开磁芯。

结果是可以接受的(我的信号发生器还没有到,所以我不能精确测量电感,但它在 10uH 的范围内,6 匝(几根线以减少趋肤效应))。它仍然发出吱吱声,但只是在我的 LED 照明可能无法达到的电压和电流下(基本上我想创建自己的 DC-DC 转换器来控制施加到 LED 的电压,而不是使用 PWM,这会产生过多的 EMI )。

这是我在使用铁粉芯(黄白色)作为电感器芯时捕获的波形(流过电感器的电流,测量的 0.082 Ω 电阻器上的电压降 ~0.1 Ω)。每个波形都是直流耦合的。

低输出电流:约。1A

电流 - 流过电感器的 1A


中等输出电流:约 2A

电流 - 流过电感器的 2A


高输出电流:约 3A。在这个级别,吱吱声开始。但我必须强调,电感磁芯被加热到 ca。90℃。这基本上看起来像上面的波形,但由低频正弦波调制。

电流 - 流经电感器的 3A


我无法在不接触 0A 的情况下使电流波形在一定水平之间振荡。我在网上的波形图片和带有示波器的 OSKJ XL4016 降压转换器中看到它不应该达到它。它看起来像这样:(抱歉绘制波形,但不幸的是我没有保存它;它只是证明了这一点)

CCM

这是我用当前的铁氧体变压器电感器在吱吱声开始时得到的波形。

通过电感器的电压和电流

通道 1(黄色):电流
通道 2(蓝色):电感两端的电压。

此时出现吱吱声。我尝试增加和减少输出电容,但它通常没有解决问题。此外,振铃会减弱,当我触摸非隔离 MOSFET 散热器时,我不知道为什么会出现这种振铃。

这是我的原理图(它不完全是我的 PCB 上的,但变化很微妙,比如电位器而不是 2 个电阻器和微调电容器值以获得 100 kHz 的频率)。引脚 2 当前连接到 Vref,引脚 16 连接到 GND 以永久开启转换器,Vin – 输入电压 = 24V。由于二极管 D5 看到高峰值电流,因此将其替换为更耐用的 5A 二极管:

我的示意图

D4、C2、R15终于被更好更稳健的方案取代,但对电感L1的波形没有影响。这是我的 PCB 布局,它是为不同的应用设计的(需要 0.5A - 最大 1A,所以我没有在那里添加任何散热器)。此外,一些电阻器和电容器的值是手动调整的,以在满载时弥补约 86% 的良好效率,浪费的大部分功率发生在 MOSFET Q7,可能是因为栅极信号和 Rds 的缓慢上升和下降沿(开),为 0.3 Ω。

我的pcb布局

现在(在测试期间)电感悬浮在焊料层上方(因为它太大而无法放入指定的空间,当我设计这块板时我不知道我不能使用通常的铁粉芯,在我的另一个转换器,基于LM2576它工作得很好,但是电压调节存在问题,所以我想设计这个)。最后,我记录了所述电压下的电压和电流,在该电压下,电感器开始发出吱吱声,结果如下:

  • 5 V – 0.150 A ← 最小输出电压
  • 6 V – 0.300 A
  • 7 V – 0.400 A
  • 8 伏 - 1 安
  • 9 V – 2.5 A
  • 10 伏 - 2.7 安
  • 11 V – 3.1 A ← 设计输出电流
  • 12 V – 3.1+ A
  • 13 V – 3.1+ A ← 最大输出电压

之后,我通过展开 1 圈来降低电感,它开始在低得多的电流下发出吱吱声。当我添加更多绕组时也会发生同样的情况。当我改变频率时,没有任何有趣的事情发生。我还使用 TL494 数据表中提供的公式计算了电容器和电感器的值,但它也对这些值发出了吱吱声。每个电流测量都是在电感器的输出侧完成的。我测量了输出电容的 ESR,LCR-T4 测试仪显示为 0.09 Ω。

总结一下:我遇到了电感器发出呜呜声/吱吱声的问题,我不知道如何解决。

在每个级别上,我的 LED 灯消耗的电流都较少,这是使电感器发出吱吱声所需的电流,但我的心真的很想知道为什么会发生这种情况,以及我不理解或理解错误的地方。请帮我。如果我错过了任何细节,我会将它们写在对此问题的评论中。对不起,我的“英语”中的任何错误,它不是我的母语。我在这方面没有经验,所以如果我犯了一些大错误,请原谅我。

编辑: “在每个级别上,我的 LED 灯消耗的电流都更少,这是使电感器发出吱吱声所必需的” - 我的意思是,LED 总是应该消耗更少的电流,这是使电感器发出吱吱声所必需的 ⇒ 在正常操作期间,电感器不应该吱。我在更改输出电流、开关频率和输出电压时将显示波形的视频上传到 YouTube。负载是我的临时“恒流负载”,由 MOSFET 和 MOSFET 栅极处的电位器调节电压制成,它很粗糙,但它可以工作。正如 mehmet.ali.anil 所写(但现在我看到,他删除了他的答案),我通过缠绕一根新线将电感增加到大约 200uH,在视频的结尾你可以看到,我不小心将频率调到一个“完美”的价值,导致成功的 CCM 工作,但它一直在安静地发出吱吱声,尤其是在输出电压变化期间。此外,频率非常接近极限,约为 300 kHz。我应该事先上传一个类似的视频,对不起。这是它的链接:https://youtu.be/tgllx-tegwo

2个回答

更新

尽管 594 比 494 具有更高的 GBW 和更严格的 5V 容差,但它们仍然具有使用 20 kHz 而不是 100 kHz 的开关速度的参考设计。它还允许对 f 控制使用较低的 C 值。其他一切似乎都相同,因此您可以通过一些更改使 494 更好地工作。

您的设计似乎有奇怪的死区时间,可能是由于推挽电流或死区时间电压较弱。您的推挽式驱动器设计结合了 f/2(次谐波)的 f 和弱基极电流,导致一些不稳定。因此,我建议您将基极电阻降低到 330 欧姆而不是 10 K,并使用 20kHz 单端至 Rc = 10x Rb 来驱动 FET,并在必要时将 Vgs 限制为 20V。

这种组合允许 1% 的死区时间和从 0% PWM 到 99% 的更严格的调节。但检查死区时间设置。

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磁性元件会产生可闻噪声,因为它们包含许多物理上可移动的元件,例如线圈、隔离带和线轴。线圈中的电流产生电磁场,在线圈之间产生排斥力和/或吸引力。这会在线圈、铁氧体磁芯或隔离带中产生机械振动,当电源的开关频率在 20Hz 到 20KHz 范围内时,人的耳朵就可以听到噪音。

可能的更正

  • 通过选择 Imax/Imin 和切换速率来降低通量摆动 Bpp
  • 如果在直流模式下使用 CM 电流且最小 >=5% 负载,可防止磁通反转。(不理想)
  • 最小化 L 电阻,DCR,这会在电流斜坡之前导致阶跃上升,并有效地增加纹波,从而对控制回路产生噪声。计算 L/R 比率并与低 ESR 上限的 C*ESR 时间常数进行比较,从而减少反应器时间常数。

铁氧体具有磁畴,当电流反向时会引起磁滞。用电流激励这些然后返回 0 A 会刺激一些振动,但为什么呢?

假设

如果次谐波 f/2 不稳定导致调制脉冲宽度并与底部循环速率中使用的主 100kHz f 混合,则可能会产生 100k - 50k 的狂野超外层音频尖叫,从而产生 0 到 50kHz 的声音。

  • 反馈滤波器的变化是超前滞后滤波器可能会改善这一点。

更新#2

Op 偶然发现了如何制作相位超前滤波器以提高稳定性https://m.imgur.com/nBEd18F,下一个改进是相位“超前滞后滤波器”以优化稳定性裕度。它可以使用两个大写字母和一个系列 R 而不是 1 个大写字母。一个电容是 10 倍大,其系列大约是用于控制 Vdc 的 R 的 1/10 它具有更大的 C 和更低的 R,以减少脉冲超前校正电压的范围,但不会将纹波放大太多,然后是小 1/10 的分流电容in // 反馈 R 充当 HPF 以减少脉冲中的较高频率成分以减少输出纹波。(抱歉,我的手指在触摸屏上没有示意图)

  • 结束更新

当电感器中的电流停止时,我们说它在不连续模式(DCM)下运行,此时开关必须打开并且施加的电流负载很小。开关呈现一个与 L 串联的小电容,这会在您的最后一条曲线上在 < 10us 内衰减时产生 6MHz 的高阻抗并联//谐振。这会因皮肤电阻而减弱,而皮肤+身体电容会降低频率。(?100k//200pF??)当散热器被触摸但不是噪音问题时。

解决此问题的解决方案是添加负反馈,如本视频所述https://youtu.be/wNnOfF1NkxI?t=1584. 首先,我在 TL494 的输出和反馈引脚之间添加了一个电容,似乎解决了这个问题,但效果不如添加适当的负反馈。我做了一些测试,证明了这一点:首先,我将电流从 0A 增加到 3A,然后我将振荡器频率从 ~170 kHz 更改为 ~20 kHz,然后上升到“崩溃”(我想) TL494 ⇒ 超过 300 kHz,然后返回 ~170 kHz。黄色迹线 - 振荡器电容器上的电压,蓝色迹线 - 流过电感器的电流。电感现在不是嘶嘶声而是嘶嘶声,这取决于使用的磁芯,因为当我尝试使用 EI 时,它不太明显(在晚上胶带松动并且电感器开始吱吱作响,现在我正在尝试使用指甲油作为粘合核心并仍然能够将其拆开的方法),该测试是使用工厂粘合的 EE 核心完成的。“spectroid”应用程序的屏幕截图是在输出电流为 3A 时完成的,在底部您可以看到 20 kHz 时刻和顶部 300 kHz。

负反馈+电容 https://youtu.be/S9KfA9NNXkE 负反馈+电容

差评 https://youtu.be/h1AN7rQTDa4 负面反馈

电容 https://youtu.be/7h7OzDj9q8Y 电容器

没什么(最初的问题) https://youtu.be/nVofPynJRGE 没有

通过负反馈和电容器,我的意思是: 解释

稍后我会检查我的推挽 MOSFET 驱动器现在是否工作正常。如果有需要,我可以做一个更高级的记录,并显示电感产生的频率对应于振荡器频率。