降压转换器,啸叫/啸叫电感器


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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,我的电感器会吱吱作响。

作为电感器,我首先使用了来自旧ATX PSU(黄色带一个白面)的普通环形扼流圈。但是我注意到它确实很热,这不是我铜线的损耗,它是不适合开关应用的磁芯,而是用于滤波目的。然后,我拆解了一个小的铁氧体变压器,将自己的电感器缠绕在其上,但它再次发出吱吱声。

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(可能是具有圆形中心部分的EPCOS E 30/15/7,但不幸的是,我不知道芯子中使用的材料以及是否有间隙),但是这次小心地移除了绕组而没有拆开芯子。

结果是可以接受的(我的信号发生器尚未到达,因此我无法精确测量电感,但是它在10uH的范围内,共6匝(使用几根导线以减少趋肤效应)。它仍然在发出吱吱声,但仅在我的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) )。

这是波形(电流流过电感器,在0.082Ω电阻器上测得的电压降〜0.1Ω),当我使用铁粉芯(黄白色)作为电感器芯时,我捕获了这些波形。每个波形都是直流耦合的。

低输出电流:约。1A

电流-1A电流流经电感


中等输出电流:2A

电流-2A电流流经电感


高输出电流:约。3A。在此级别开始吱吱声。但我必须强调指出,电感器磁芯已加热至 90℃。从上方看,它基本上看起来像一个波形,但由低频正弦波调制。

电流-3A电流流经电感


如果不触摸0A,则无法使电流波形在一定水平之间振荡。我看到它不应该在在线波形图和带有示波器的OSKJ XL4016降压转换器中达到。看起来像这样:(对绘制的波形很抱歉,但不幸的是我没有保存它;这只是证明了这一点)

CCM

这是在开始吱吱声时我用电流铁氧体变压器电感得到的波形。

通过电感的电压和电流

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器,但通常无法解决问题。另外,当我触摸非隔离的MOSFET散热器时,振铃会减弱,我什至不知道为什么这种振铃甚至存在。

这是我的原理图(这并不是我的PCB板上的全部,但变化只是微妙的,例如电位计而不是2个电阻器以及经过微调的电容器值,以获得100 kHz的频率)。引脚2当前连接到Vref,引脚16连接到GND,以永久打开转换器,Vin –输入电压= 24V。由于二极管D5看到的峰值电流很高,因此用5A的更耐用的二极管代替了它:

我的示意图

最终,D4,C2,R15被更好,更强大的解决方案所取代,但它不会影响电感L1上的波形。这是我的PCB布局,它是为不同的应用设计的(要求最大0.5A – 1A,因此我没有在其中添加任何散热器)。同样,一些电阻和电容的值经过手动调节,以使其在满载时的效率达到〜86%,浪费的大部分功率发生在MOSFET Q7中,这可能是由于栅极信号和Rds的上升沿和下降沿缓慢造成的(on),为0.3Ω。

我的PCB布局

现在(在测试过程中)电感器悬挂在焊料层上方(因为它太大而无法容纳在指定的空间中,所以当我设计该板时,我不知道我不能使用普通的铁粉芯,而另一端转换器,基于LM2576,它工作正常,但是电压调节存在问题,因此我想设计一个。最后,我记录了在该电压下的电压和电流,在该电压下电感器开始发出可听见的吱吱声,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 V – 1 A
  • 9 V – 2.5 A
  • 10 V – 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,我通过放开1匝来降低电感,并开始以低得多的电流发出吱吱声。当我添加更多绕组时,也会发生同样的情况。当我更改频率时,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,但这些数据也令人吃惊。每次电流测量均在电感器的输出侧进行。我已经测量了输出电容器的ESR,LCR-T4测试仪显示为0.09 9。

总结一下:我在抱怨/尖叫电感器时遇到问题,不知道如何解决。

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需的电流,但是我的内心真的很想知道为什么会这样以及我不理解或理解的错误。请帮我。如果我错过了任何细节,我会在对此问题的评论中写下它们。很抱歉我的“英语”中有任何错误,这不是我的母语。我在这一领域没有经验,所以请您原谅我犯了一些大错误。

编辑: “在每个级别上,我的LED灯都会消耗较少的电流,这是使电感器发出吱吱声的必要条件”-我的意思是,LED总是应该消耗较少的电流,这是使电感器发出吱吱声所需的电流⇒在正常工作期间,电感器不应吱。我在将输出电流,开关频率和输出电压更改的同时,将显示波形的视频上传到YouTube。负载是我临时设计的“恒定电流负载”,它是由MOSFET和在MOSFET栅极调节电位器的电位器制成的,虽然很粗糙,但是可以工作。正如mehmet.ali.anil所写(但现在我知道,他删除了答案),我通过缠绕一根新导线将电感增加到大约200uH,在视频结尾,您可以看到,我不小心将频率调整为一个“完美”的价值,导致CCM工作成功完成,但它始终无声地发出吱吱声,尤其是在输出电压变化期间。此外,该频率实际上接近极限,约为300 kHz。抱歉,我应该提前上传类似的视频。这是它的链接:https://youtu.be/tgllx-tegwo


由于对该案件的误解,我删除了答案。
mehmet.ali.anil

如果吱吱声是在大电流下发生的,那么饱和电流会成为罪魁祸首吗?在阈值电流之后,电感突然变为零,因为磁场不再能够产生磁偶极子。该电流对温度有很强的依赖性,并且由芯材料决定。
mehmet.ali.anil

排泄到散热器的电容源:ecee.colorado.edu/~ecen5797/course_material/layout.pdf我在散热器上的实际来源是在EMC上的:Learnemc.com/pcb-layout我认为这很有趣,这就是为什么我记得它。
mehmet.ali.anil

可能不是问题,但用于输入和输出的仅电解电容器并非总是安全的选择。如果将1 uF的胶片平行放置,您会注意到有什么区别吗?尖叫的频率是多少?它是否接近您的输出的LC时间常数?
温妮

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3A / us di / dt。我会仔细检查您的电感值。对于电感器di / dt = V / L
sstobbe

Answers:


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更新资料

尽管594具有比494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。它还允许较低的C值进行f控制。其他所有内容似乎都是相同的,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,可能是由于弱的推挽电流或死区电压引起的。您的推挽驱动器设计将f的f / 2(次谐波)与较弱的基极电流结合在一起,从而引起一些不稳定。因此,我建议您将基极电阻降低至330欧姆(而不是10 K),并使用20kHz单端至Rc = 10x Rb来通过分压器或齐纳二极管驱动FET(如有必要),以将Vgs限制为20V。

这种组合允许1%的死区时间和从0%PWM到99%的更严格调节。但是请检查死区时间设置。

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磁性组件包含许多可物理移动的元素,例如线圈,隔离带和线轴,因此会产生听得见的噪音。线圈中的电流产生电磁场,电磁场在线圈之间产生排斥力和/或吸引力。当电源的开关频率在20Hz到20KHz范围内时,这会在线圈,铁氧体磁心或隔离带中产生机械振动,并且人耳只能听到噪音。

可能的更正

  • 通过选择Imax / Imin和开关速率来降低磁通摆幅Bpp
  • 如果在最小负载=> 5%的CM电流下以DC模式使用,则可防止磁通反转。(不理想)
  • 最小化L电阻,DCR会在电流斜坡之前引起阶跃上升,并有效地增加纹波,从而给控制环路带来噪声。计算L / R比并与C * ESR时间常数进行比较以降低ESR上限,从而减少反应器时间常数。

铁氧体具有磁畴,当电流反向时,磁畴会引起磁滞。用电流激励它们然后返回0 A会激发一些振动,但是为什么呢?

假设

如果次谐波f / 2不稳定,导致调制脉冲宽度不稳定,并且与最低周期速率中使用的主要100kHz f混合,则可能会有100k-50k的狂野超级尖叫声,产生0至50kHz的声音。

  • 对“反馈”滤波器的更改是超前滞后滤波器可能会改善这一点。

更新#2

运营者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,下一步改进是相位“超前-滞后滤波器”以优化稳定性余量。它可以使用两个大写字母和一个系列R代替一个大写字母。一个电容帽大10倍,串联的R约为控制Vdc的R的1/10。它具有较大的C和较低的R以减小脉冲引线校正电压的范围,但不会将纹波放大太多,因此其电容为小1/10在//中,反馈R起到HPF的作用,以减少脉冲中的较高频率含量,以减少输出纹波。(对不起,我的手指在触摸屏上没有原理图)

  • 结束更新

当电感器中的电流停止时,我们说它正在以非连续模式(DCM)运行,此时必须将开关断开,并且施加的电流负载很小。开关具有一个与L串联的小电容,会在最后一条以<10us衰减的曲线上产生6MHz的高阻抗并联谐振。这会因皮肤电阻而减弱,而因皮肤+身体电容而降低频率。(?100k // 200pF ??)触摸散热器但不是噪音问题。


这是我的MOSFET驱动器的当前示意图:imgur.com/VWLBdt3。在旧版本上,我有压降(即使在我使用LM317稳压器而不是齐纳二极管的情况下,我也找不到电压源,即使在某个电流以上,电压也神奇地下降了),这个问题得以解决。
KamilWitek

如果
可行

事实证明,由于电阻将该引脚接地,因此我没有添加任何死区时间。现在,我添加了一个电位计来将电压从0V调节到5V,我可以在特定的输出电压和电流上微调停滞时间,当我降低电压时,它彻底消除了抱怨,但是嘶嘶声又恢复了,我增加了停滞时间,可以,但是由于导通时间减少,我无法恢复到更高的电压。另一个问题是我可以选择所需的电压,然后增加电流。当我以其他方式执行此操作时,嘶嘶声会返回。
KamilWitek

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嘶嘶声通常是电容ESR太高,从而导致电感纹波电流变得太高。
托尼·斯图尔特Sunnyskyguy EE75,19年

我串联了一个薄膜电容器(我用我的LCR-T4测试仪检查了它的ESR,显示为0.00),但是它什么也没做。我再次尝试使用铁粉磁芯,但是这次是在CCM中进行的,但这和以前一样:在具有某些输出功率的情况下,它可以工作,而在具有其他输出功率的情况下,会发出吱吱声。最终,我回到了我的最后一个“工作”状态,即铁氧体变压器,6匝线,DCM。有点用,但不是我想要的。我肯定会在将来再次提到这个问题,但是现在我不知道我可以做些什么(除了使用第二个比较器作为限流器之外)。
KamilWitek

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解决此问题的方法是添加负面反馈,如此视频中所述https://youtu.be/wNnOfF1NkxI?t=1584。首先,我在TL494的输出和反馈引脚之间加了一个电容器,似乎已经解决了这个问题,但是它不如添加适当的负反馈好。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,然后返回至〜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。电感器现在不是发牢骚,而是发出嘶嘶声,这取决于所使用的磁芯,因为当我尝试使用EI时,它并不那么显眼(在晚上磁带松开并且电感器开始发出吱吱声,现在我正在尝试使用指甲油作为一种粘合核心并且仍然能够将其拆开的方式),该测试是使用工厂粘合的EE内核完成的。当输出电流为3A且位于底部时,将完成“ spectroid”应用程序的屏幕快照。您可以看到20 kHz的时刻和顶部的300 kHz。

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

负面反馈 https://youtu.be/h1AN7rQTDa4 负面反馈

电容器 https://youtu.be/7h7OzDj9q8Y 电容器

什么都没有(最初的问题) https://youtu.be/nVOfPynJRGE 没有

负反馈和电容器,我的意思是: 说明

稍后,我将检查我的推挽MOSFET驱动器现在是否工作正常。如果需要,我可以进行更高级的记录,并显示由电感器产生的与振荡器频率相对应的频率。

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