便携产品中电源音频噪声的成因和消除方法分析

在低功耗条件下，为进一步降低功耗，DC/DC转换器通常会工作在脉冲频率调制(PFM)模式或PWM突发模式，这种工作模式常常会产生音频噪声。本文分析了音频噪声产生机理并提出减少输出电容等多种设计思路。

在笔记本电脑、PDA、MP3播放器等便携数码产品中，电源的设计是一大挑战。为了尽量延长电池的连续工作时间，几乎所有的处理器都使用了低核心电压和省电休眠工作模式，使CPU在工作量不大的情况下只消耗少量的电能。另一方面，为了提高电池的使用效率，使用大量的DC/DC电源变换器来获得高的效率。

在DC/DC变换器中，PWM方式由于工作频率稳定，噪声也比较低，但是在CPU处于休眠工作模式的轻载时，固定频率的PWM模式开关损耗很大，效率很低。因此，在轻载时为了提高效率，大量采用了脉冲频率调制(PFM)模式或PWM突发工作模式，但是带来的负作用是出现音频噪声。当负载较轻时，PFM方式的开关频率或PWM突发工作模式的间歇振荡频率变小，当频率处于音频范围时，一方面是此时变换器的输出电压纹波比PWM方式增大很多，如果由该电源供电的音频编解码器或音频功放的电源抑制比(PSRR)较差，不足以消除纹波的影响时，喇叭和耳机里就会出现噪声。另一方面，电感、陶瓷电容都是“发声”元件，它们在音频脉动电流的作用下会发出响声。因此，当一些数码产品工作在休眠状态时，我们反而会听到该设备在发出“吱吱”的声音。下面通过了解跳频PFM模式的工作原理，并寻求消除噪声的正确方法。

跳频PFM工作方式

无论是降压变换器还是升压变换器，跳频PFM模式的工作原理基本相同，变换器监测输出电压，当输出电压跌落到标称电压以下某一个门限值时，变换器启动工作，使输出电压回升到设定的电压值以上，然后变换器停止振荡，因此电感电流的波形如图1所示，这种电流变换将产生噪声。

因此，消除噪声的根本办法是使DC/DC变换器的频率处于音频范围外，对于PWM/PFM自动切换的变换器来说，采用大电感可以使系统在电流很低的情况下保持工作在连续模式，但是这与我们要提高轻载时的效率的初衷相违背，况且大电感也带来了体积的增大和成本的增加，另外增大电感还减慢了变换器的反应时间，使变换器的动态性能变差，特别是笔记本电脑的CPU供电和一些手持设备的CPU都瞬间从低功耗模式切换到全速工作模式，因此都要求电源有很高的动态响应性能。

另一种方法是减少输出电容量，使输出电压更快地跌落到门限电压以下，以提高间歇频率，例如低功耗时工作频率处于10kHz，把输出电容减小一半可以使频率增加一倍，变为20kHz，从而消除音频噪声。但需要注意的是，减少输出电容会对DC/DC变换器的稳定性造成影响，应该重新计算相位补偿的RC参数。另一方面，某些需要大动态电流变化的负载要求要足够的电容，不允许输出电容太小。

第三种办法是针对以测量低端MOSFET通态电阻或检流电阻上的压降来确定电感零电流方法的控制器，如果增加该阻值，同样使间歇工作频率加大。当然，这个方法不仅带来了轻载时的效率的损失，还降低了重载时的效率。

具有最小工作频率的DC/DC变换器

从上述分析可知，只要DC/DC的PFM工作频率不在音频范围就没有音频噪音，Maxim新一代的笔记本电脑系统电源控制器MAX1777/MAX1977/MAX1999在跳频PFM模式下，可以限制它的最低工作频率为25kHz，从源头上消除了音频噪声。它的工作原理是：在28μs内如果没有发生开关动作，MAX1777就会打开低端MOSFET同步整流开关，使电感产生一个反向电流，如果此电流大于设置的门限值，高端MOSFET开关就打开开始工作。该解决方案限制最低的PFM工作频率在音频以上，无需改动任何外围器件就能达到目的。

作者：金国锋

应用工程师

Maxim集成产品公司