天津
原文授權(quán)自公眾號(hào)：小小的電子之路
最近，我們?cè)谠O(shè)計(jì)鋰電池充電電路板時(shí)遇到了一個(gè)棘手的問(wèn)題--電路板在某些工作狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生清晰可聞的異響。這不僅影響用戶體驗(yàn)，還暗示電路可能存在潛在問(wèn)題。經(jīng)過(guò)一系列排查和優(yōu)化，我們最終成功解決了這個(gè)問(wèn)題。本文將詳細(xì)介紹問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)、定位和解決過(guò)程，希望能為遇到類似問(wèn)題的同行提供參考。
一、問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)：神秘的異響
在設(shè)計(jì)第一版鋰電池充電電路板時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電路工作在特定負(fù)載條件下時(shí)，會(huì)發(fā)出明顯的"嘯叫"聲，這種聲音類似于高頻蜂鳴。起初，我們僅憑人耳難以準(zhǔn)確定位異響源，因?yàn)檫@樣一來(lái)，聲音似乎來(lái)自整個(gè)PCB，而非某個(gè)特定元件。
二、問(wèn)題的定位：聽(tīng)診器+示波器雙管齊下
機(jī)械故障聽(tīng)診器
圖片出自《硬件設(shè)計(jì)指南 從器件認(rèn)知到手機(jī)基帶設(shè)計(jì)》
為了精準(zhǔn)定位異響源，我們使用了 機(jī)械故障聽(tīng)診器 ，這是一種常用于檢測(cè)機(jī)械振動(dòng)和異響的工具。通過(guò)逐一探測(cè) PCB 上的關(guān)鍵元件，我們發(fā)現(xiàn) 異響最大的地方集中在輸出電容附近 。
第一版PCB輸出紋波
隨后，我們使用示波器測(cè)量輸出紋波，發(fā)現(xiàn) 紋波幅度高達(dá)1Vpp@126Hz 。這種低頻紋波會(huì)導(dǎo)致電容內(nèi)部的介質(zhì)振動(dòng)，產(chǎn)生可聞噪聲（即 "陶瓷 電容嘯叫 " ），同時(shí)帶動(dòng)整塊 PCB 共振，放大異響。
第一版 PCB異響測(cè)試
三、問(wèn)題的解決：對(duì)稱布局抵消振動(dòng)
經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，即便是官方評(píng)估板，其輸出紋波也維持在1Vpp左右。
布局優(yōu)化-C19置于底層且與C20對(duì)稱
我們決定從機(jī)械結(jié)構(gòu)入手解決問(wèn)題。由于第一版PCB的所有輸出電容都布局在同一層，導(dǎo)致振動(dòng)相互增強(qiáng)。因此，在第二版設(shè)計(jì)中，我們采用了正反對(duì)稱布局，即相同容值的電容分布在PCB的頂層和底層，且位置對(duì)稱。這樣，當(dāng)電容振動(dòng)時(shí)，兩面的振動(dòng)方向相反，可相互抵消，從而避免帶動(dòng)整塊PCB共振。
第二版PCB輸出紋波
實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，雖然輸出紋波仍維持在1Vpp左右，但由于電容振動(dòng)被抵消，整板異響消失。聽(tīng)診器測(cè)試顯示單個(gè)電容仍有明顯嘯叫，但PCB整體已無(wú)振動(dòng)噪聲。
第二版PCB異響測(cè)試
四、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
1. 異響定位：人耳難以精確定位噪聲源時(shí)，可借助機(jī)械故障聽(tīng)診器等工具輔助排查。
2. 紋波特性：某些芯片的紋波特性是固有屬性，優(yōu)化紋波代價(jià)很大。
3. 振動(dòng)抵消：當(dāng)無(wú)法消除振動(dòng)源時(shí)，對(duì)稱布局可有效抑制PCB共振，適用于對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用場(chǎng)景。
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