¿Cuál puede ser la causa de un sonido agudo procedente de un circuito regulador de conmutación?

Question

Hemos diseñado un circuito regulador de conmutación utilizando un regulador de conmutación de 1,5 MHz, de conmutación interna ( semtech.com/images/datasheet/sc185.pdf ). Vin es 5V, Vout es 3V3. Tenemos un condensador de entrada (47uf), un condensador de salida (47uf) y un inductor (1uH). El problema es que oímos un sonido agudo procedente -presumiblemente- del inductor cuando encendemos el sistema. Parece que el sonido es más perceptible cuando el circuito consume cantidades muy pequeñas de corriente. A medida que aumenta la demanda de corriente, el sonido suele hacerse imperceptible, pero no siempre.

¿Alguna idea de lo que podríamos haber hecho incorrectamente? ¿Hay alguna otra información que pueda proporcionar para ser más específico? He mirado la salida del regulador, justo antes del inductor, y veo algo de zumbido, pero no puedo decir si el zumbido es normal o no.

Answer 1

Los lugares habituales de donde procede el sonido en los circuitos electrónicos son los inductores y los condensadores cerámicos.

El producto cruzado de la corriente y el campo magnético es una fuerza. Las fuerzas siempre actúan sobre dos cosas, que en el caso de un inductor son el núcleo y los segmentos individuales de alambre que forman los devanados. A la frecuencia adecuada, esto puede hacer que el bobinado vibre un poco, lo que se oye como sonido.

Los condensadores cerámicos presentan un efecto piezoeléctrico en diversos grados. Las cerámicas más eficientes desde el punto de vista de la capacitancia también son más susceptibles a este efecto. Si no recuerdo mal, el titanato de bario es especialmente bueno en este caso, ya que el átomo de titanio de la red cambia entre dos estados de energía, lo que también hace que cambie su tamaño aparente. Sí, la cerámica se encoge y crece muy ligeramente en función del voltaje.

Hace poco tuve un problema de este tipo en los prototipos de un nuevo producto. Un condensador de la fuente de alimentación estaba sometido a una ondulación de 5-10 kHz, lo que provocaba que toda la placa emitiera un molesto sonido quejumbroso. Probé cinco modelos diferentes de distintos fabricantes, pero todos los que tenían suficiente capacitancia tenían el problema del ruido. Ahora he cambiado a regañadientes a un electrolítico de aluminio para esa parte.

En tu caso, la frecuencia de conmutación de 1,5 MHz es demasiado alta para ser audible, por lo que no puede ser directamente la frecuencia de conmutación. Lo más probable es que tu fuente de alimentación sea metaestable y estés oyendo las fluctuaciones de control. Puede que no haya mucha ondulación de salida a la frecuencia audible, pero probablemente puedas ver una pequeña diferencia en el ciclo de trabajo a esa frecuencia. A corrientes muy bajas el lazo de control puede estar causando ráfagas de pulsos con algún tiempo muerto entre ráfagas, lo que podría tener un fuerte componente en el rango audible. A corrientes más altas el sistema está probablemente funcionando en modo continuo y está más amortiguado naturalmente, por lo que la respuesta de control en el rango audible disminuye.

Fíjate también en el consumo de corriente de la fuente de alimentación. Eso puede estar en el rango audible, forzando la respuesta de control de la fuente de alimentación en el rango audible también.

Answer 2

Es probable que tu regulador pase a un modo de baja frecuencia de conmutación con cargas pequeñas para mejorar la eficiencia. Esto sitúa la vibración del condensador dentro de nuestro rango de frecuencia auditiva. La otra razón es que a bajas frecuencias de conmutación, la tensión de ondulación del condensador es mayor, aumentando así la amplitud de las vibraciones. Es difícil evitar los condensadores cerámicos, ya que proporcionan una buena densidad a un coste suficientemente bajo y una buena ESR, características de frecuencia. Una buena manera de evitar este efecto es tener 2 de estos condensadores colocados en lados opuestos de la PCB. Si necesita una capacitancia de 100uF, todo lo que tiene que hacer es colocar 47uF en la parte superior y 47uF exactamente en el lado opuesto de la PCB. El efecto de estos condensadores se contrarresta y la placa de circuito impreso deja de emitir sonidos. Mucho más barato que usar C0G u otros condensadores especializados.