Перейти к содержанию

Почему пищит DC-DC преобразователь на малой нагрузке?

Обновлено Редакция GAW

Под нагрузкой понижающий преобразователь переключается с постоянной частотой — сотни килогерц или мегагерцы, этого не слышно. На малом токе многие микросхемы переходят в режим PFM: ключ включается пачкой импульсов, затем пауза, и чем меньше ток, тем длиннее паузы. Ток в дросселе меняется с частотой пачек, сердечник при намагничивании чуть меняет размер (магнитострикция), и обмотка с сердечником начинают звучать. Второй частый источник звука — керамические конденсаторы класса II (X5R, X7R) на входе и выходе: их диэлектрик — пьезоэлектрик, и пульсации напряжения с частотой пачек заставляют конденсатор вибрировать вместе с платой.

Когда частота пачек становится слышной

У TPS62130 режим экономии включается, когда ток нагрузки меньше половины пульсаций тока дросселя (ур. 9 даташита), а дальше частота падает линейно с током. Наш расчёт для 12 → 3,3 В, 2,2 мкГн и 2,5 МГц:

ΔIL=Uвых (1−Uвых/Uвх)L⋅fSW=3,3⋅0,7252,2 мкГн⋅2,5 МГц≈0,44 А\Delta I_L = \frac{U_\text{вых}\,(1 - U_\text{вых}/U_\text{вх})}{L \cdot f_\text{SW}} = \frac{3{,}3 \cdot 0{,}725}{2{,}2\ \text{мкГн} \cdot 2{,}5\ \text{МГц}} \approx 0{,}44\ \text{А}

Порог режима экономии — около 0,22 А. Если частота падает пропорционально току:

Ток нагрузкиОценка частоты пачек
220 мА2,5 МГц
10 мАоколо 110 кГц
1 мАоколо 11 кГц
0,1 мАоколо 1,1 кГц

Это грубая оценка: реальная зависимость нелинейна, но порядок верный — писк появляется на токах в единицы миллиампер и ниже.

Что с этим делать

  1. Проверить, что это именно PFM. Если писк слышен на полной нагрузке и дроссель горячий, причина другая — проверьте ток дросселя на насыщение.
  2. Дать небольшую постоянную нагрузку. Резистор 330 Ом на выходе 3,3 В берёт 10 мА — по оценке выше частота поднимается до сотни килогерц, зато теряется 33 мВт (наш расчёт). Для батарейных устройств это дорого.
  3. Сменить дроссель. Магнитострикция зависит от материала: Magnetics рекомендует сердечники Kool Mµ с почти нулевой магнитострикцией именно против слышимого шума. Экранированный дроссель того же номинала часто звучит тише.
  4. Если звучат конденсаторы — уменьшить пульсации напряжения на них (больше ёмкость, меньше ESR) или поставить вместо части керамики класса II конденсаторы другого типа: полимерные или C0G, у которых этого эффекта практически нет.
  5. Выбрать микросхему с принудительным ШИМ, если тишина важнее КПД на малом токе: у части преобразователей есть вывод выбора режима. Как устроен понижающий преобразователь и как выбирать его дроссель, разобрано в статье «Понижающий преобразователь», материалы сердечников — в «Магнитных сердечниках».

Похожие вопросы

Опасен ли писк для преобразователя?

Сам по себе нет: в режиме PFM преобразователь работает штатно, просто с переменной частотой. Насторожиться стоит, если писк появляется на большой нагрузке вместе с нагревом и просадкой выхода, — тогда это может быть перегрузка, срабатывание ограничения тока или насыщение дросселя.

Почему устройство пищит только в спящем режиме?

Во сне ток падает до единиц миллиампер, и пачки импульсов идут редко. По нашей оценке для TPS62130 при 12 → 3,3 В и дросселе 2,2 мкГн частота пачек при токе 1 мА — около 11 кГц, а при 10 мА — около 110 кГц, то есть уже за пределами слышимого.

Почему в режиме PFM выходное напряжение немного выше?

Это свойство режима: TI в даташите LMR33630 прямо пишет, что в PFM растут пульсации и на малой нагрузке выходное напряжение немного повышается. Если важна точность, проверяйте выход при минимальном токе нагрузки или выбирайте преобразователь с принудительным ШИМ.

Источники

  1. Texas Instruments. TPS6213x 3-V to 17-V 3-A Step-Down Converter (SLVSAG7F, revised November 2021) — вывод FSW: частота около 2,5 МГц (низкий уровень) или 1,25 МГц; разд. 8.4.2 Power Save Mode — при снижении тока частота переключения уменьшается линейно с током нагрузки; ур. 8 — пульсации тока дросселя; ур. 9 — ток перехода в режим экономии равен половине пульсаций; табл. 9-3 — ток дросселей как меньшее из IRMS при нагреве на 40 °C и ISAT
  2. Texas Instruments. LMR33630 SIMPLE SWITCHER 3.8-V to 36-V, 3-A Synchronous Step-down Voltage Converter (SNVSAN3F, revised November 2020) — разд. 8.4.1 Auto Mode — на малой нагрузке PFM: верхний ключ включается пачкой из одного или нескольких импульсов, период пачек подстраивается под нагрузку; переменная частота, больше пульсации и небольшое повышение выходного напряжения; ток перехода PFM/PWM зависит от входного напряжения, индуктивности и частоты
  3. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Volume II — AC, 6th edition, разд. 9.8 Practical considerations (CC BY) — слышимый шум трансформаторов и дросселей вызван главным образом магнитострикцией — небольшим изменением длины ферромагнетика при намагничивании
  4. Magnetics. Powder Core Catalog (2024) — материал Kool Mµ — магнитострикция, близкая к нулю, поэтому подходит для устранения слышимого шума фильтровых дросселей

Нашли ошибку?

Смотрите также