開關電源中的噪聲原因及解決方案

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

當坐在汽車中時，我們聽到發動機噪聲是完全正常的事。畢竟，發動機艙內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，汽車和其他產品的制造商擁有完整的研究部門，來專門負責完善和創造令人愉悅的聲音體驗。

但是，對于開關模式電源 (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成，但在運作時，任何元器件都不應該移動。因此，不應有任何噪聲，不是嗎？

交流電源發出干擾噪聲的最常見原因通常會產生 100 Hz 或 120 Hz 的低頻嗡嗡聲。隨著電源在復雜性和結構方面的不斷發展，從它們發出的聲波范圍也發生了變化。但是，大多數可聞噪聲都不應引起關注。

感知與效應

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

當工業電源設備產生可聞噪聲時，這可能不會對人們構成實際問題，因為在有其他背景噪聲的情況下，設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生的頻率，這是心理聲學中研究的一種效應，并用于 MP3 音頻的壓縮。此類電源還通常內置于帶有封閉門的控制面板中，這也有助于抑制可能產生的任何可聞噪聲。

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

原因和背景

磁場

如果載流導體位于磁場中，則通常會受到力的作用。當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境下，鐵芯也可能受到稱為磁致伸縮效應的影響，這種效應最早由詹姆士焦耳在 1842 年發現。它會導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體的電流所致。這些微小的材料體積變化不僅會導致摩擦發熱，而且經常會產生可聞噪聲。

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降至最低，但必須付出脆性增加的代價。

壓電效應

壓電效應是導致噪聲的另一個原因。“壓電”一詞源自希臘語中的壓力。1880 年，居里兄弟發現，石英等各種晶體中的壓力會產生電荷。他們稱這種現象為“壓電效應”（圖 3）。后來，他們注意到電場會使壓電材料發生變形。這種效應稱為“逆壓電效應”。

圖 3：在石英等材料中展現的壓電效應。（圖片來源：TRACO）

當施加電壓時，逆壓電效應會導致這些材料的長度發生變化。該致動器效應會將電能轉換為機械能。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，向附近發出壓力波。

開關拓撲和反饋回路

要驅動更高效的電源轉換，則意味著開關拓撲甚至要集成到最簡單的電源產品中。此類設計中選擇的主開關頻率通常會高于人類感知的極限 (>20 kHz)。但是，在依靠改變開關頻率來適應變化的負載和輸入電壓的開關解決方案中，為了保持最佳的轉換效率，開關頻率可能會降低到可聞范圍內。

在固定頻率解決方案中，盡管開關頻率本身在 20 kHz 以上，但周期跳步或猝發模式操作等功能仍可能導致開關模式處于可聞范圍內。如果該解決方案顯示規則的開關脈沖被兩個或更多個跳步脈沖的周期不規則打破，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域。

圖 4：反饋電路中的問題會導致固定頻率開關設計中出現不規則的無脈沖周期（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，甚至很難準確確定哪個元器件是可聞噪聲源。假設從電氣角度來說設計正常運作，一種方法是使用非導電物體（例如筷子）在設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出可聞噪聲，它們往往出現在鉗位電路、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的電容器（例如金屬薄膜），或者可以增加串聯電阻（圖 5）。如果可聞噪聲降低，則應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，或者替換為等效值的并聯陶瓷電容器。

如果磁性元器件是噪聲源，首先確保輸入電壓和輸出負載始終在指定范圍內。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生更多共鳴音。在可能的情況下，考慮改用仍可容納所需數量繞組的較短替代鐵芯。

請謹記，對于所有重點介紹的可能方法，很可能需要重復進行驗證和生產測試。