电源管理IC如何抑制音频噪音

作者: 刘舜尧

随着日新月异的科技产业成长，与不断创新的信息产业发展，其对于产品的声音质量要求也随之提高；对于消费者而言，其噪音的敏感度也逐渐被视为购物需求之一。一般常见之家用与3C产品，如LCD/LED电视、Monitor、计算机Adaptor与多功能事务机等，上述产品虽没有风扇，但也可能有噪音的产生，使其造成使用者的不悦耳。

究竟噪音的来源是什么？如表一所示，其1、2、3项皆因材料选择不当而造成，故只需更换组件材料，进而能降低噪音之影响。第4项，因铁心的磁场不平衡而产生的磁力线拉扯噪音是最难改善的，如图一所示，当电流流经变压器时，铁心与绕组因磁场关系产生互相吸斥作用，而造成机械式震荡，产生噪音。

表一：噪音来源



图一：电路上的噪音来源

若操作频率落在人耳最为敏感的音频范围内，震动噪音在加上音频，使人感到更不悦耳，其音频范围如图二所示，人耳最为敏感范围为1K~10KHz。由于音频与能量的传递有绝对的关系，故在音频范围内，其GATE的导通时间也必须被限制在1μs以内。这样才能彻底的改善音频噪音。


图二：人耳最敏感之音频范围

一般为了解决变压器的机械式震荡噪音可藉由加强凡立水，加强点胶(epoxy)，让线更扎实，减少震动；又或者是更换具较低漏感之变压器。但是，因音频而造成的噪音仅能从工作频率着手。以通用的PWM IC为例；为提高系统效率，其工作频率如图三所示。其中在轻载时，为降低切换损失，工作频率会降至25KHz (Burst Mode)。


图三：PWM IC升频曲线

工作模式如图四所示。IC利用Burst Mode模式来控制电压回授机制，来达到的省电效果，其中打打停停的GATE频率为Fg(Grouping freq.)，而Fg的频率常常落在1K~10KHz(人耳音频敏感范围)，音频的产生是与能量跟频率有关，故系统能决定之参数是跟ton大小也与Fg的快慢有大大的关系。


图四：Burst Mode工作模式

图五所示为Fg、ton与音频噪音的关系图，如为了改善因Burst Mode所产生的音频噪音，不仅须限制Fg频率，且Burst Mode下的Gate导通时间ton也需一并被限制，进而能得到较佳的音频噪音敏感度。


图五：Fg、ton vs.音频噪音

图六为通嘉科技所研制之具降低音频噪音功能IC LD5532，为SOT-26封装，其中最具特色的功能如表二所示。


图六：具降低音频噪音之电源管理IC LD5532

表二：LD5532特色与优点


为了改善音频噪音敏感度，LD5532在Burst Mode时将Fg的最大频率限制在800Hz(人耳敏感音频范围1K~10KHz)，并且为了限制GATE的导通时间ton，将电流侦测电压固定在0.2V(VCS=0.2V)，其工作模式如图七所示。



图八所示为市售具BNO功能的电源管理IC，当这一类IC在Vin=264Vac时、Output负载条件在5V/0.2A(Burst Mode)的工作模式下，因没有Fg限频和Burst Mode导通时限制的关系，使得音频噪音相当明显。平均音频噪音测试结果为38.3dB。


图八：市售具BNO功能电源管理IC之Burst Mode工作模式

如图九所示为LD5532在Vin=264Vac、Output=5V/0.2A(Burst Mode)时的工作模式，Fg皆被限制在被限制在789.3Hz以下，且GATE的导通时间ton皆小于1μs。平均噪音测试结果为27.1dB，优于未做Fg限频与Burst Node导通时间限制的市售IC 11.2dB。比较结果如表三所示。


图九：LD5532的Burst Mode工作模式

表三：市售具BNO功能的电源管理IC vs. LD5532


结论

本文所探讨的LD5532是一款具降低音频噪音敏感度IC，提供电源设计人员对于音频噪音一个解决方案，而不在仅仅只有对变压器加工而达到降噪效果。在Burst Mode(Vin=264Vac、Output=5V/0.2A)对于音频的表现上更是优于一般的PWM IC 11.2dB，使得在变压器设计上有更优渥的设计范围。