电源中的声学-噪声，如何抑制开关电源的噪声

当我们坐在车里时，我们所经历的引擎噪音是完全正常的。毕竟，发动机舱里有一台装有活动部件的机器。我们中的一些人甚至认为这种噪音非常令人愉快。事实上，汽车和其他产品的制造商实际上有整个研究部门致力于修补-创造-愉快的声音体验。

然而，对于开关模式电源（smps）则是另一种情况。诸如嗡嗡声或呜呜声之类的声音甚至可以被理解为一种警告信号。虽然电源是由大量的电子元件组成的，但当它们工作时，什么都不应该移动。因此，不应该有任何噪音，不是吗？

来自交流电源的干扰噪声的最常见原因通常用于导致低频100或120赫兹的嗡嗡声。而且，随着电源的复杂性和结构的变化，它们发出的声波范围也发生了变化。然而，大多数可听到的噪音不应该成为担心的原因。

感知与效果

人类可以听到16赫兹到大约20千赫频率范围内的声波（图1）。但是一种声音是否会引起注意力分散或刺激，还取决于人们在声音产生的环境中对这种声音的感知。

工业电源装置产生可听到的噪音可能不会对人们构成实际问题，因为在它附近的大多数人都会在其他背景噪音的背景下体验到它，这是工厂工作的正常组成部分。其他噪音，由于它们的频率和音量，也可能掩盖电源产生的频率，这是心理声学研究的效果，用于mp3音频的压缩。这样的供应也通常建立在控制面板与关闭的门，也有助于抑制任何可听到的噪音可能产生。

在不同的环境中，例如办公室，对电源噪声的反应会有明显的不同。电子设备发出的呜呜声或嗡嗡声可能会让人感到不愉快，甚至会引起人们对其安全性的担忧。

图1：人耳可听频率范围

磁场

如果载流导体位于磁场中，它通常会受到力的作用。当电流和磁场方向成90°角时，这种力的作用最大。在这种情况下，作用力垂直于电流和磁场的方向。使用弗莱明右手定则，右手的三个手指可以用来确定这个力的方向（图2）。

在变压器和一些电感器中，铁芯也会受到磁致伸缩效应的影响，这种效应最早是由詹姆斯·焦耳在1842年发现的。它使铁磁性材料在磁化过程中改变形状或尺寸，这是由流过元件导体的电流引起的。除了导致摩擦加热外，这些材料体积的微小变化也经常产生可听到的噪音。

变压器通常使用不同硅含量的铁硅钢（称为硅钢），这有助于提高铁的电阻率。6%的硅钢在磁致伸缩方面提供了最佳的降低水平，但必须以增加的脆性为代价。

图2：右手/左手定则

压电效应

噪声的另一个原因是压电效应。“piezo”这个词来源于希腊语中的“压力”。1880年，雅克·居里和皮埃尔·居里发现，各种晶体（如石英）中的压力会产生电荷。他们把这种现象称为“压电效应”。后来，他们注意到电场可以使压电材料变形。这种效应被称为“反向效应”。

图3：石英等材料中的压电效应

当施加电压时，反向压电效应导致这些材料的长度变化。这种致动器效应将电能转化为机械能。电压的变化也会改变陶瓷电容器的几何质量，导致它们像微小的扬声器一样向附近发射压力波。

交换拓扑和反馈回路

对更高效的电源转换的追求意味着开关拓扑结构甚至被集成到最简单的电源产品中。在这种设计中选择的主要开关频率通常会选择在人类感知极限（>20kHz）之上。然而，在依靠改变开关频率来适应负载和输入电压变化的开关解决方案中，为了保持最佳的转换效率，这可能会下降到可听范围内。

在固定频率解决方案中，尽管开关频率本身高于20kHz，但周期跳变或突发模式操作等特征可能导致开关模式落入可听范围。如果解决方案显示有规律的开关脉冲被两个或多个跳过脉冲的周期不规则地中断，这可能表明反馈电路有问题（图4）。这里有必要回顾反馈电路元件和任何光耦合器的工作区域。

图4：在定频开关设计中，反馈电路中的问题可能导致不规则的无脉冲周期（下图）。

确定和解决声音噪音问题

由于对更高功率密度的推动，smps变得越来越紧凑，甚至确定哪个组件是可听噪声源都是具有挑战性的。假设从电气角度来看设计是正确的，一种方法是使用非导电物体，如筷子，在设备运行时对电路板上的各个组件施加光压。改变或降低噪声，特别是在主要候选部件中，如陶瓷或磁性器件，可能提供一个良好的起点。

如果手头没有安全的非导电探测装置，可以用一张纸制作一个基本的耳喇叭。卷成锥形，小端孔径可以指向可疑组件，以评估噪声源。

经历高dv/dt波动的陶瓷电容器通常被证明是可听到的噪声，并且倾向于在钳位和缓冲器电路中以及在输出级中发现。为了测试它们是否是噪声源，可以用金属薄膜等替代介质代替电容器，或者增加它们的串联电阻。如果可听噪声降低，则应评估组分的永久性变化。改变钳位电路以使用齐纳二极管也会有所帮助。在空间允许的情况下，有问题的输出级电容器可以换出不同的电介质或替换为等效并联陶瓷电容器。

图5：缓冲电路中的电容可以换成金属膜型，或者可以尝试更大的电阻。

如果磁性元件是噪声源，首先要确保输入电压和输出负载始终在规定的范围内。如果输入电压有时降得太低，增加输入端的电容可以有所帮助。变压器浸漆，浸漆和封装电感是一种降低噪声的方法。长铁心长度的变压器也比短铁心长度的变压器更容易产生共振。在可能的情况下，考虑更换一个仍然可以容纳所需绕组数的替代短铁芯。

应该记住，对于所有强调的可能的方法，验证和生产测试的重复将是极有可能的。

总结

载流导体在磁场中的力冲击和电容的反向压电效应是电源单元发出可听噪声的主要原因。而且，尽管仿真技术有所进步，但可听到的噪音通常只有在物理设计完成后才会变得明显，有时只有在为预生产准备了大量电源后才会变得明显。

虽然从功能或安全的角度来看，电源中大多数可听到的噪音应该不会引起关注，但它可能令人讨厌，甚至被客户视为质量问题。通过遵循这里提供的一些简单提示，可以快速识别充当噪声源的组件，并使用建议的方法进行替换、粘贴或更改，以尽量减少或消除正在产生的错误声音。