電源設(shè)計(jì)說明：開關(guān)模式解決方案中的聲學(xué)噪聲抑制

開關(guān)電源(SMPS)，從能量的角度來看特別高效，通常會(huì)受到落在聲頻范圍內(nèi)的噪聲的影響，因此人耳可以聽到。這些噪音可能被解釋為警報(bào)信號(hào)，讓用戶感到擔(dān)憂或困惑，他們可能認(rèn)為它們是故障的跡象。由于SMPS沒有活動(dòng)部件，因此沒有理由產(chǎn)生噪音。

實(shí)際上，正如我們將看到的，這種現(xiàn)象非常普遍，會(huì)產(chǎn)生低頻嗡嗡聲，通常在 100 到 120 Hz 之間的頻段內(nèi)。盡管 SMPS 產(chǎn)生的大部分可聽噪聲不應(yīng)引起關(guān)注，但了解和確定這種現(xiàn)象的可能原因很重要，因此可以采取解決方案來應(yīng)對(duì)它們。

噪音感知

雖然這種特性因人而異，并且與年齡密切相關(guān)，但人耳可聽到的頻率范圍大約在 16 Hz 到 20 kHz 之間。如圖 1 所示，較窄的頻帶界定了室內(nèi)聲學(xué)（從大約 63 Hz 到 8 kHz）和用于口語的頻率范圍（從大約 300 Hz 到 3150 Hz）。

圖 1：人耳可聽到的頻率范圍

然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，噪聲感知通常取決于 SMPS 運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境，以及其預(yù)期的特定應(yīng)用。在工業(yè)部門運(yùn)行的 SMPS 產(chǎn)生的嗡嗡聲和噪音，通常有產(chǎn)生不同類型和不同頻率噪音的設(shè)備（裝配線、電動(dòng)機(jī)、壓力機(jī)、車床、叉車等）肯定不太容易察覺和與在辦公室、學(xué)?；蜥t(yī)療機(jī)構(gòu)中使用 SMPS 可能發(fā)生的情況相比，這很煩人。雖然從電氣操作的角度來看是無害的，但在這些情況下，電源產(chǎn)生的可聽噪聲可能會(huì)讓人分心和煩惱。

盡管市場(chǎng)上存在無源解決方案來控制或至少最小化電子設(shè)備（封閉式機(jī)艙、吸音板等）產(chǎn)生的嗡嗡聲和其他類型的噪音，但了解噪音產(chǎn)生的原因和找出可能的解決方案來消除這種情況。

電源中的噪聲源

SMPS 運(yùn)行期間產(chǎn)生的典型嗡嗡聲和其他類型的可聽聲音有三個(gè)主要原因：磁場(chǎng)、壓電效應(yīng)和反饋回路。

當(dāng)載流導(dǎo)體浸入磁場(chǎng)中時(shí)，它會(huì)受到一個(gè)力，當(dāng)磁場(chǎng)方向和電流方向相互垂直時(shí)，該力取最大值。力的方向可以通過應(yīng)用弗萊明右手定則來確定，如圖 2 所示。

圖 2：弗萊明右手定則

開關(guān)電源中兩個(gè)非常常見的電子元件，變壓器和電感器，都有一個(gè)鐵芯，該鐵芯也可以承受稱為磁致伸縮的效應(yīng)。由于這種現(xiàn)象（由詹姆斯·焦耳于 1842 年首次發(fā)現(xiàn)），鐵磁材料可以由于電流流過組件導(dǎo)體而產(chǎn)生的磁化過程而改變形狀或尺寸。材料體積的這些微小變化會(huì)在可聽頻帶中產(chǎn)生摩擦熱和噪音。還應(yīng)該記住，許多變壓器是使用硅鋼 (Fe-Si) 制造的，硅含量不同，以增加鐵的電阻率。例如，含 6% 硅的鋼可顯著降低磁致伸縮產(chǎn)生的影響（包括可聽噪聲），

噪聲的第二個(gè)原因是壓電效應(yīng)。1880 年，居里兄弟意識(shí)到施加在某些晶體（如石英）上的壓力會(huì)產(chǎn)生電荷效應(yīng)（見圖 3）。這種現(xiàn)象被稱為“直接壓電效應(yīng)”。隨后，還發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)，根據(jù)該效應(yīng)，施加電場(chǎng)可以引起晶體材料的變形。更準(zhǔn)確地說，通過施加一定強(qiáng)度的電壓，鏡片的幾何結(jié)構(gòu)（長度）會(huì)發(fā)生變化。因此，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這是一種特性，例如，壓電揚(yáng)聲器。對(duì)這種現(xiàn)象特別敏感的元件是陶瓷電容器：

圖3：石英等材料突出的壓電效應(yīng)

產(chǎn)生噪聲的第三個(gè)也是最后一個(gè)原因是 SMPS 電路中存在的反饋環(huán)路。大多數(shù) SMPS 設(shè)計(jì)為在可聽頻帶之外（即高于 20 kHz）的開關(guān)頻率下運(yùn)行。但是，有些 SMPS 拓?fù)淠軌蜃詣?dòng)改變開關(guān)頻率以補(bǔ)償負(fù)載和輸入電壓的變化；在這種情況下，給定時(shí)刻的頻率可能在可聽范圍內(nèi)。即使具有固定開關(guān)頻率的電源也不能免除這種現(xiàn)象：即使開關(guān)頻率本身高于 20 kHz，跳過周期或在突發(fā)模式下工作實(shí)際上也可以產(chǎn)生可聽范圍內(nèi)的開關(guān)模式。如果規(guī)則開關(guān)脈沖序列被對(duì)應(yīng)于兩個(gè)或多個(gè)跳過脈沖的周期不規(guī)則地中斷（見圖 4），

圖 4：沒有脈沖的不規(guī)則周期可能表明反饋回路中存在問題

可聽噪聲消除技術(shù)

假設(shè)電源設(shè)計(jì)正確并且沒有電氣故障，第一步是確定負(fù)責(zé)產(chǎn)生可聽噪聲的一個(gè)或多個(gè)組件。一種技術(shù)是在設(shè)備通電和運(yùn)行時(shí)通過在電路組件上施加輕微壓力來使用非導(dǎo)電物體，例如魔杖。如果此操作導(dǎo)致噪音發(fā)生變化或降低，尤其是當(dāng)涉及的組件是陶瓷或磁性設(shè)備時(shí)，我們將有一個(gè)很好的起點(diǎn)。如果您沒有可用的可靠且安全的非導(dǎo)電檢測(cè)設(shè)備，您可以求助于自制的解決方案，即由一張紙制成的基本耳角。將這張紙卷成錐形，并將較小的一端靠近可疑組件，

同樣在這種情況下，陶瓷電容器通常主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生可聽噪聲，這既是由于它們經(jīng)歷的高 dv/dt 振蕩，也是因?yàn)樗鼈儚V泛用于輸出級(jí)和鉗位電路?？赡艿难a(bǔ)救措施包括用金屬膜電容器替換陶瓷電容器并增加它們的串聯(lián)電阻。另一個(gè)解決方案可能是在鉗位電路中用齊納二極管替換陶瓷電容器。如果可用空間允許，放置在輸出級(jí)的陶瓷電容器可以用不同電介質(zhì)制造的電容器或等效值的并聯(lián)陶瓷電容器代替。

圖5：緩沖電路中的電容可以換成金屬膜型，或者可以嘗試更高的阻值

至于磁性元件，可能的聲音降噪技術(shù)包括變壓器浸漆、浸漆和灌封電感器，以及增加輸入側(cè)的電容。具有大磁芯的變壓器也往往容易共振，比小磁芯變壓器產(chǎn)生更明顯的噪聲。因此，最好選擇具有較小磁芯的變壓器，并適當(dāng)調(diào)整繞組數(shù)。

結(jié)論

磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)體施加的力和電容器的反向壓電效應(yīng)是 SMPS 中可聞噪聲的兩個(gè)主要原因。雖然產(chǎn)生的可聽噪音通常不會(huì)引起功能和安全問題，但它們肯定會(huì)引起煩惱和分心。通過遵守文章中指示的準(zhǔn)則，可以快速識(shí)別產(chǎn)生噪音的組件并采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策來消除或至少最大限度地減少產(chǎn)生的聲音。



審核編輯：劉清