開關(guān)電源中的噪聲原因及解決方案

作者：Florian Haas，TRACO Power Group 營銷總監(jiān) , Mark Schoppel, Application & Technical Sales Engineer, Traco Electronic GmbH, Axel Schütz, Technical Sales Engineer, Traco Electronic GmbH

當(dāng)坐在汽車中時，我們聽到發(fā)動機噪聲是完全正常的事。畢竟，發(fā)動機艙內(nèi)的機器含有活動部件。有人甚至覺得這種噪聲令人非常愉快。事實上，汽車和其他產(chǎn)品的制造商擁有完整的研究部門，來專門負(fù)責(zé)完善和創(chuàng)造令人愉悅的聲音體驗。

但是，對于開關(guān)模式電源 (SMPS)，情況則有所不同。嗡嗡聲或嗚嗚聲之類的噪聲甚至可能被理解為警告信號。盡管電源由大量電子元器件構(gòu)成，但在運作時，任何元器件都不應(yīng)該移動。因此，不應(yīng)有任何噪聲，不是嗎？

交流電源發(fā)出干擾噪聲的最常見原因通常會產(chǎn)生 100 Hz 或 120 Hz 的低頻嗡嗡聲。隨著電源在復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)方面的不斷發(fā)展，從它們發(fā)出的聲波范圍也發(fā)生了變化。但是，大多數(shù)可聞噪聲都不應(yīng)引起關(guān)注。

感知與效應(yīng)

人們可以聽到 16 Hz 至大約 20 kHz 頻率范圍內(nèi)的聲波（圖 1）。但是，聲音是否會引起分心或煩亂，還取決于人們在產(chǎn)生聲音的環(huán)境中對該聲音的感知。

圖 1：人耳的可聞頻率范圍。（圖片來源：TRACO）

當(dāng)工業(yè)電源設(shè)備產(chǎn)生可聞噪聲時，這可能不會對人們構(gòu)成實際問題，因為在有其他背景噪聲的情況下，設(shè)備附近的人們會將這種聲音作為在工廠工作的正常聲音部分。此外，其他噪聲也可能會借助自身的頻率和音量來掩蓋電源產(chǎn)生的頻率，這是心理聲學(xué)中研究的一種效應(yīng)，并用于 MP3 音頻的壓縮。此類電源還通常內(nèi)置于帶有封閉門的控制面板中，這也有助于抑制可能產(chǎn)生的任何可聞噪聲。

在不同的環(huán)境（例如辦公室）中，人們對電源噪聲的反應(yīng)將明顯不同。電氣設(shè)備發(fā)出的嗡嗡聲或嗚嗚聲可能會令人不快，甚至可能引起對設(shè)備安全性的擔(dān)憂。

原因和背景

磁場

如果載流導(dǎo)體位于磁場中，則通常會受到力的作用。當(dāng)電流和磁場的方向成 90° 角時，該力的作用最大。在此類情況下，該作用力垂直于電流流向和磁場方向。通過使用弗來明右手定則，可以用右手的三個手指確定該力的方向（圖 2）。

圖 2：左右手定則。（圖片來源：TRACO）

在使用變壓器和一些電感器的環(huán)境下，鐵芯也可能受到稱為磁致伸縮效應(yīng)的影響，這種效應(yīng)最早由詹姆士 焦耳在 1842 年發(fā)現(xiàn)。它會導(dǎo)致鐵磁材料在磁化過程中改變形狀或尺寸，而磁化過程是由流過元件導(dǎo)體的電流所致。這些微小的材料體積變化不僅會導(dǎo)致摩擦發(fā)熱，而且經(jīng)常會產(chǎn)生可聞噪聲。

變壓器通常使用 Fe-Si 鋼（稱為硅鋼），它們具有不同硅含量，有助于提高鐵的電阻率。6% 硅鋼雖然能將磁致伸縮效應(yīng)降至最低，但必須付出脆性增加的代價。

壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)是導(dǎo)致噪聲的另一個原因?！皦弘姟币辉~源自希臘語中的壓力。1880 年，居里兄弟發(fā)現(xiàn)，石英等各種晶體中的壓力會產(chǎn)生電荷。他們稱這種現(xiàn)象為“壓電效應(yīng)”（圖 3）。后來，他們注意到電場會使壓電材料發(fā)生變形。這種效應(yīng)稱為“逆壓電效應(yīng)”。

圖 3：在石英等材料中展現(xiàn)的壓電效應(yīng)。（圖片來源：TRACO）

當(dāng)施加電壓時，逆壓電效應(yīng)會導(dǎo)致這些材料的長度發(fā)生變化。該致動器效應(yīng)會將電能轉(zhuǎn)換為機械能。電壓的變化也會改變陶瓷電容器的幾何特性，從而使它們像微型揚聲器一樣工作，向附近發(fā)出壓力波。

開關(guān)拓?fù)浜头答伝芈?/strong>

要驅(qū)動更高效的電源轉(zhuǎn)換，則意味著開關(guān)拓?fù)渖踔烈傻阶詈唵蔚碾娫串a(chǎn)品中。此類設(shè)計中選擇的主開關(guān)頻率通常會高于人類感知的極限 (>20 kHz)。但是，在依靠改變開關(guān)頻率來適應(yīng)變化的負(fù)載和輸入電壓的開關(guān)解決方案中，為了保持最佳的轉(zhuǎn)換效率，開關(guān)頻率可能會降低到可聞范圍內(nèi)。

在固定頻率解決方案中，盡管開關(guān)頻率本身在 20 kHz 以上，但周期跳步或猝發(fā)模式操作等功能仍可能導(dǎo)致開關(guān)模式處于可聞范圍內(nèi)。如果該解決方案顯示規(guī)則的開關(guān)脈沖被兩個或更多個跳步脈沖的周期不規(guī)則打破，則可能表明反饋電路存在問題（圖 4）。此時就值得花時間檢查反饋電路元器件和任何光耦合器的工作區(qū)域。

圖 4：反饋電路中的問題會導(dǎo)致固定頻率開關(guān)設(shè)計中出現(xiàn)不規(guī)則的無脈沖周期（下圖）。（圖片來源：TRACO）

確定和解決可聞噪聲問題

由于人們不斷追求更高的功率密度，SMPS 變得越來越緊湊，甚至很難準(zhǔn)確確定哪個元器件是可聞噪聲源。假設(shè)從電氣角度來說設(shè)計正常運作，一種方法是使用非導(dǎo)電物體（例如筷子）在設(shè)備工作時對電路板上的各個元器件輕輕施加壓力。噪聲的變化或降低，尤其是主要可疑元器件（例如陶瓷或磁性器件）中的變化或降低，可能提供一個很好的起點。

如果手頭沒有安全的非導(dǎo)電探測裝置，則可以用一張紙制作一個簡單的聽筒。卷成圓錐形后，將小端的孔指向可疑元器件，可評估噪聲源。

事實證明，承受高 dv/dt 擺幅的陶瓷電容器通常會發(fā)出可聞噪聲，它們往往出現(xiàn)在鉗位電路、吸收電路以及輸出級中。若要測試它們是否為噪聲源，可以將其替換為具有替代電介質(zhì)的電容器（例如金屬薄膜），或者可以增加串聯(lián)電阻（圖 5）。如果可聞噪聲降低，則應(yīng)評估是否永久更換元器件。

圖 5：吸收電路中的電容器可換成金屬薄膜型，或者可以嘗試使用更大的電阻。（圖片來源：TRACO）

對于鉗位電路，改為使用齊納二極管也會有所幫助。如果空間允許，可以將有問題的輸出級電容器換成其他電介質(zhì)，或者替換為等效值的并聯(lián)陶瓷電容器。

如果磁性元器件是噪聲源，首先確保輸入電壓和輸出負(fù)載始終在指定范圍內(nèi)。如果輸入電壓有時下降過低，則增加輸入端的電容會有所幫助。變壓器的含浸處理，以及含浸和灌封的電感器是降低噪聲的一種方法。此外，長鐵芯變壓器也往往比短鐵芯變壓器產(chǎn)生更多共鳴音。在可能的情況下，考慮改用仍可容納所需數(shù)量繞組的較短替代鐵芯。

請謹(jǐn)記，對于所有重點介紹的可能方法，很可能需要重復(fù)進(jìn)行驗證和生產(chǎn)測試。

總結(jié)

載流導(dǎo)體在磁場中受力和電容器的逆壓電效應(yīng)都是電源裝置發(fā)出可聞噪聲的主要因素。盡管在模擬方面取得了進(jìn)步，但通常只有在設(shè)計實際成型后，可聞噪聲才會變得明顯，有時只有在一定數(shù)量的電源已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行試生產(chǎn)時，才會出現(xiàn)可聞噪聲。

雖然從功能或安全角度來說，電源中的多數(shù)可聞噪聲都無需過多關(guān)注，但可能會令人煩惱，甚至被客戶視為質(zhì)量問題。通過遵循本文提供的一些簡單技巧，可以快速找出作為噪聲源的元器件，并可使用建議的方法對其進(jìn)行替換、固定或更改，以最大程度地減少或消除所產(chǎn)生的噪音。