電源設計說明：開關模式解決方案中的聲學噪聲抑制

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

實際上，正如我們將看到的，這種現象非常普遍，會產生低頻嗡嗡聲，通常在 100 到 120 Hz 之間的頻段內。盡管 SMPS 產生的大部分可聽噪聲不應引起關注，但了解和確定這種現象的可能原因很重要，因此可以采取解決方案來應對它們。

噪音感知

雖然這種特性因人而異，并且與年齡密切相關，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聲學（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，需要強調的是，噪聲感知通常取決于 SMPS 運行的實際環境，以及其預期的特定應用。在工業部門運行的 SMPS 產生的嗡嗡聲和噪音，通常有產生不同類型和不同頻率噪音的設備（裝配線、電動機、壓力機、車床、叉車等）肯定不太容易察覺和與在辦公室、學?；蜥t療機構中使用 SMPS 可能發生的情況相比，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，電源產生的可聽噪聲可能會讓人分心和煩惱。

盡管市場上存在無源解決方案來控制或至少最小化電子設備（封閉式機艙、吸音板等）產生的嗡嗡聲和其他類型的噪音，但了解噪音產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 運行期間產生的典型嗡嗡聲和其他類型的可聽聲音有三個主要原因：磁場、壓電效應和反饋回路。

當載流導體浸入磁場中時，它會受到一個力，當磁場方向和電流方向相互垂直時，該力取最大值。力的方向可以通過應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

開關電源中兩個非常常見的電子元件，變壓器和電感器，都有一個鐵芯，該鐵芯也可以承受稱為磁致伸縮的效應。由于這種現象（由詹姆斯·焦耳于 1842 年首次發現），鐵磁材料可以由于電流流過組件導體而產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在可聽頻帶中產生摩擦熱和噪音。還應該記住，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生的影響（包括可聽噪聲），

噪聲的第二個原因是壓電效應。1880 年，居里兄弟意識到施加在某些晶體（如石英）上的壓力會產生電荷效應（見圖 3）。這種現象被稱為“直接壓電效應”。隨后，還發現了逆壓電效應，根據該效應，施加電場可以引起晶體材料的變形。更準確地說，通過施加一定強度的電壓，鏡片的幾何結構（長度）會發生變化。因此，將電能轉化為機械能，這是一種特性，例如，壓電揚聲器。對這種現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

產生噪聲的第三個也是最后一個原因是 SMPS 電路中存在的反饋環路。大多數 SMPS 設計為在可聽頻帶之外（即高于 20 kHz）的開關頻率下運行。但是，有些 SMPS 拓撲能夠自動改變開關頻率以補償負載和輸入電壓的變化；在這種情況下，給定時刻的頻率可能在可聽范圍內。即使具有固定開關頻率的電源也不能免除這種現象：即使開關頻率本身高于 20 kHz，跳過周期或在突發模式下工作實際上也可以產生可聽范圍內的開關模式。如果規則開關脈沖序列被對應于兩個或多個跳過脈沖的周期不規則地中斷（見圖 4），

圖 4：沒有脈沖的不規則周期可能表明反饋回路中存在問題

可聽噪聲消除技術

假設電源設計正確并且沒有電氣故障，第一步是確定負責產生可聽噪聲的一個或多個組件。一種技術是在設備通電和運行時通過在電路組件上施加輕微壓力來使用非導電物體，例如魔杖。如果此操作導致噪音發生變化或降低，尤其是當涉及的組件是陶瓷或磁性設備時，我們將有一個很好的起點。如果您沒有可用的可靠且安全的非導電檢測設備，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責產生可聽噪聲，這既是由于它們經歷的高 dv/dt 振蕩，也是因為它們廣泛用于輸出級和鉗位電路?？赡艿难a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電阻。另一個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，放置在輸出級的陶瓷電容器可以用不同電介質制造的電容器或等效值的并聯陶瓷電容器代替。

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包括變壓器浸漆、浸漆和灌封電感器，以及增加輸入側的電容。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，并適當調整繞組數。

結論

磁場對載流導體施加的力和電容器的反向壓電效應是 SMPS 中可聞噪聲的兩個主要原因。雖然產生的可聽噪音通常不會引起功能和安全問題，但它們肯定會引起煩惱和分心。通過遵守文章中指示的準則，可以快速識別產生噪音的組件并采取適當的對策來消除或至少最大限度地減少產生的聲音。



審核編輯：劉清