開(kāi)關(guān)電源中的噪聲抑制：可聽(tīng)噪聲消除技術(shù)

作者：AxelSchütz、Mark Schoppel和Florian Haas

開(kāi)關(guān)電源（SMPS）從能源的角度來(lái)看特別有效，它通常會(huì)受到落在聲頻范圍內(nèi)的噪聲的影響，因此人耳可以聽(tīng)到。這些噪音可能被解釋為警報(bào)信號(hào)，使可能以為是故障跡象的用戶(hù)感到擔(dān)心或困惑。由于SMPS沒(méi)有活動(dòng)部件，因此沒(méi)有理由產(chǎn)生噪音。

實(shí)際上，正如我們將看到的那樣，這種現(xiàn)象非常普遍，通常在100到120 Hz之間的頻帶中會(huì)產(chǎn)生低頻嗡嗡聲。盡管SMPS產(chǎn)生的大多數(shù)可聽(tīng)噪聲不應(yīng)引起人們的關(guān)注，但重要的是要了解和識(shí)別這種現(xiàn)象的可能原因，因此可以采取相應(yīng)的解決方案。

噪音感知

盡管此特性因人而異，并且與年齡密切相關(guān)，但人耳可聽(tīng)到的頻率范圍在16 Hz至20 kHz之間。如圖1所示，較窄的頻帶限制了房間的聲音（從63 Hz到8 kHz）和口語(yǔ)所用的頻率范圍（從300 Hz到3150 Hz）。

圖1：人耳可聽(tīng)到的頻率范圍

但是，必須強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，對(duì)噪聲的感知通常取決于SMPS所運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境以及所針對(duì)的特定應(yīng)用。在工業(yè)領(lǐng)域中運(yùn)行的SMPS產(chǎn)生的嗡嗡聲和噪聲通常不易被察覺(jué)到，在該行業(yè)中，通常存在會(huì)產(chǎn)生不同類(lèi)型和不同頻率的噪聲的設(shè)備（裝配線(xiàn)，電動(dòng)機(jī)，壓力機(jī)，車(chē)床，叉車(chē)等），并且與在辦公室，學(xué)?；蜥t(yī)療機(jī)構(gòu)中使用SMPS相比，這會(huì)令人討厭。盡管從電氣操作的角度來(lái)看無(wú)害，但在這些情況下，電源產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲可能會(huì)分散注意力和煩擾。

盡管市場(chǎng)上存在無(wú)源解決方案來(lái)控制或至少減小由電子設(shè)備（封閉的機(jī)艙，吸音板等）產(chǎn)生的嗡嗡聲和其他類(lèi)型的噪聲，但了解噪聲產(chǎn)生的原因和消除噪聲至關(guān)重要。確定可能的解決方案以消除這種情況。

電源中的噪聲源

在SMPS的操作過(guò)程中產(chǎn)生的典型嗡嗡聲和其他類(lèi)型的可聽(tīng)見(jiàn)的聲音有三個(gè)主要原因：磁場(chǎng)，壓電效應(yīng)和反饋回路。

當(dāng)載流導(dǎo)體浸沒(méi)在磁場(chǎng)中時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)的方向和電流的方向相互垂直時(shí)，該導(dǎo)體將承受取最大值的力。力的方向可以通過(guò)應(yīng)用弗萊明的右手法則來(lái)確定，如圖2所示。

圖2：弗萊明的右手法則

開(kāi)關(guān)電源中兩個(gè)非常常見(jiàn)的電子組件（變壓器和電感器）具有鐵芯，鐵芯也可能會(huì)受到稱(chēng)為磁致伸縮的作用。這種現(xiàn)象的結(jié)果是詹姆斯·焦耳（James Joule）于1842年首次發(fā)現(xiàn)的，由于流過(guò)組件導(dǎo)體的電流導(dǎo)致的磁化過(guò)程，鐵磁材料會(huì)改變形狀或尺寸。材料體積的這些微小變化會(huì)在可聽(tīng)?zhēng)е挟a(chǎn)生摩擦熱和噪聲。還應(yīng)該記住，許多變壓器是使用硅含量不同的硅鋼（Fe-Si）制造的，以提高鐵的電阻率。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(tīng)噪聲），

噪聲的第二個(gè)原因可歸因于壓電效應(yīng)。1880年，居里兄弟（Curie Brothers）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（見(jiàn)圖3）。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“直接壓電效應(yīng)”。隨后，還發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)，據(jù)此，電場(chǎng)的施加可導(dǎo)致晶體材料變形。更精確地，通過(guò)施加一定強(qiáng)度的電壓，產(chǎn)生了透鏡的幾何結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)度）的變化。因此存在電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，該特性例如是由壓電揚(yáng)聲器利用的。對(duì)于這種現(xiàn)象特別敏感的組件是陶瓷電容器：

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電路中存在反饋環(huán)路。大多數(shù)SMPS設(shè)計(jì)為在可聽(tīng)頻帶外（即高于20 kHz）的開(kāi)關(guān)頻率下工作。但是，有些SMPS拓?fù)淠軌蜃詣?dòng)改變開(kāi)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，給定瞬間的頻率可能在可聽(tīng)范圍內(nèi)。即使開(kāi)關(guān)頻率固定的電源也不能避免這種現(xiàn)象：即使開(kāi)關(guān)頻率本身高于20 kHz，跳過(guò)周期或以突發(fā)模式運(yùn)行實(shí)際上也會(huì)產(chǎn)生可聽(tīng)范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)模式。如果常規(guī)切換脈沖序列被對(duì)應(yīng)于兩個(gè)或多個(gè)跳脈沖的周期無(wú)規(guī)律地打斷（請(qǐng)參見(jiàn)圖4），

圖4：不帶脈沖的不規(guī)則周期可能表示反饋回路中存在問(wèn)題

可聽(tīng)噪聲消除技術(shù)

假設(shè)電源設(shè)計(jì)正確且沒(méi)有電氣故障，則第一步是確定負(fù)責(zé)產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲的一個(gè)或多個(gè)組件。一種技術(shù)是通過(guò)在設(shè)備通電和運(yùn)行時(shí)在電路組件上施加輕壓力來(lái)使用非導(dǎo)電物體（例如，魔杖）。如果此操作產(chǎn)生或改變或降低了噪音，尤其是當(dāng)涉及的部件是陶瓷或磁性設(shè)備時(shí)，我們將是一個(gè)很好的起點(diǎn)。如果您沒(méi)有可用的可靠且安全的非導(dǎo)電檢測(cè)設(shè)備，則可以采用由一張紙制成的基本耳角形式的自制解決方案。通過(guò)將紙包裝成圓錐形并將較小的一端靠近可疑組件，

同樣在這種情況下，陶瓷電容器通常由于產(chǎn)生的高dv / dt振蕩而主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲，并且由于它們廣泛用于輸出級(jí)和鉗位電路中?？赡艿慕鉀Q方法包括用金屬膜電容器代替陶瓷電容器，并串聯(lián)增加其電阻。進(jìn)一步的解決方案可以是用齊納二極管代替鉗位電路中的陶瓷電容器。如果可用空間允許，則可以將輸出級(jí)中放置的陶瓷電容器替換為使用不同電介質(zhì)制造的電容器，或者替換為等效值的并聯(lián)陶瓷電容器。

圖5：緩沖電路中的電容器可以用金屬膜類(lèi)型代替，或者可以嘗試更高的電阻

對(duì)于磁性元件，可能的可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲降低技術(shù)包括變壓器的浸漆，浸漆的和灌封的電感器，以及增加輸入側(cè)的電容。具有大鐵芯的變壓器也容易產(chǎn)生諧振，與小鐵芯變壓器相比，產(chǎn)生的噪聲要大得多。因此，最好選擇鐵心較小的變壓器，以適當(dāng)?shù)剡m應(yīng)繞組數(shù)。

結(jié)論

磁場(chǎng)在載流導(dǎo)體上施加的力和電容器的反向壓電效應(yīng)是SMPS產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲的兩個(gè)主要原因。盡管產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲通常不應(yīng)引起功能和安全方面的問(wèn)題，但它們肯定會(huì)引起煩惱和干擾。通過(guò)遵守本文中指示的準(zhǔn)則，可以快速識(shí)別產(chǎn)生噪聲的組件，并采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策來(lái)消除或至少最小化所產(chǎn)生的聲音。

編輯：hfy