电源设计说明:开关模式解决方案中的声学噪声抑制

电源设计说明:开关模式解决方案中的声学噪声抑制,第1张

开关电源(SMPS),从能量的角度来看特别高效,通常会受到落在声频范围内的噪声的影响,因此人耳可以听到。这些噪音可能被解释为警报信号,让用户感到担忧或困惑,他们可能认为它们是故障的迹象。由于SMPS没有活动部件,因此没有理由产生噪音。

实际上,正如我们将看到的,这种现象非常普遍,会产生低频嗡嗡声,通常在 100 到 120 Hz 之间的频段内。尽管 SMPS 产生的大部分可听噪声不应引起关注,但了解和确定这种现象的可能原因很重要,因此可以采取解决方案来应对它们。

噪音感知

虽然这种特性因人而异,并且与年龄密切相关,但人耳可听到的频率范围大约在 16 Hz 到 20 kHz 之间。如图 1 所示,较窄的频带界定了室内声学(从大约 63 Hz 到 8 kHz)和用于口语的频率范围(从大约 300 Hz 到 3150 Hz)。

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图 1:人耳可听到的频率范围

然而,需要强调的是,噪声感知通常取决于 SMPS 运行的实际环境,以及其预期的特定应用。在工业部门运行的 SMPS 产生的嗡嗡声和噪音,通常有产生不同类型和不同频率噪音的设备(装配线、电动机、压力机、车床、叉车等)肯定不太容易察觉和与在办公室、学校或医疗机构中使用 SMPS 可能发生的情况相比,这很烦人。虽然从电气操作的角度来看是无害的,但在这些情况下,电源产生的可听噪声可能会让人分心和烦恼。

尽管市场上存在无源解决方案来控制或至少最小化电子设备(封闭式机舱、吸音板等)产生的嗡嗡声和其他类型的噪音,但了解噪音产生的原因和找出可能的解决方案来消除这种情况。

电源中的噪声源

SMPS 运行期间产生的典型嗡嗡声和其他类型的可听声音有三个主要原因:磁场、压电效应和反馈回路。

当载流导体浸入磁场中时,它会受到一个力,当磁场方向和电流方向相互垂直时,该力取最大值。力的方向可以通过应用弗莱明右手定则来确定,如图 2 所示。

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图 2:弗莱明右手定则

开关电源中两个非常常见的电子元件变压器电感器,都有一个铁芯,该铁芯也可以承受称为磁致伸缩的效应。由于这种现象(由詹姆斯·焦耳于 1842 年首次发现),铁磁材料可以由于电流流过组件导体而产生的磁化过程而改变形状或尺寸。材料体积的这些微小变化会在可听频带中产生摩擦热和噪音。还应该记住,许多变压器是使用硅钢 (Fe-Si) 制造的,硅含量不同,以增加铁的电阻率。例如,含 6% 硅的钢可显着降低磁致伸缩产生的影响(包括可听噪声),

噪声的第二个原因是压电效应。1880 年,居里兄弟意识到施加在某些晶体(如石英)上的压力会产生电荷效应(见图 3)。这种现象被称为“直接压电效应”。随后,还发现了逆压电效应,根据该效应,施加电场可以引起晶体材料的变形。更准确地说,通过施加一定强度的电压,镜片的几何结构(长度)会发生变化。因此,将电能转化为机械能,这是一种特性,例如,压电扬声器。对这种现象特别敏感的元件是陶瓷电容器

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图3:石英等材料突出的压电效应

产生噪声的第三个也是最后一个原因是 SMPS 电路中存在的反馈环路。大多数 SMPS 设计为在可听频带之外(即高于 20 kHz)的开关频率下运行。但是,有些 SMPS 拓扑能够自动改变开关频率以补偿负载和输入电压的变化;在这种情况下,给定时刻的频率可能在可听范围内。即使具有固定开关频率的电源也不能免除这种现象:即使开关频率本身高于 20 kHz,跳过周期或在突发模式下工作实际上也可以产生可听范围内的开关模式。如果规则开关脉冲序列被对应于两个或多个跳过脉冲的周期不规则地中断(见图 4),

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图 4:没有脉冲的不规则周期可能表明反馈回路中存在问题

可听噪声消除技术

假设电源设计正确并且没有电气故障,第一步是确定负责产生可听噪声的一个或多个组件。一种技术是在设备通电和运行时通过在电路组件上施加轻微压力来使用非导电物体,例如魔杖。如果此操作导致噪音发生变化或降低,尤其是当涉及的组件是陶瓷或磁性设备时,我们将有一个很好的起点。如果您没有可用的可靠且安全的非导电检测设备,您可以求助于自制的解决方案,即由一张纸制成的基本耳角。将这张纸卷成锥形,并将较小的一端靠近可疑组件,

同样在这种情况下,陶瓷电容器通常主要负责产生可听噪声,这既是由于它们经历的高 dv/dt 振荡,也是因为它们广泛用于输出级和钳位电路。可能的补救措施包括用金属膜电容器替换陶瓷电容器并增加它们的串联电阻。另一个解决方案可能是在钳位电路中用齐纳二极管替换陶瓷电容器。如果可用空间允许,放置在输出级的陶瓷电容器可以用不同电介质制造的电容器或等效值的并联陶瓷电容器代替。

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图5:缓冲电路中的电容可以换成金属膜型,或者可以尝试更高的阻值

至于磁性元件,可能的声音降噪技术包括变压器浸漆、浸漆和灌封电感器,以及增加输入侧的电容。具有大磁芯的变压器也往往容易共振,比小磁芯变压器产生更明显的噪声。因此,最好选择具有较小磁芯的变压器,并适当调整绕组数。

结论

磁场对载流导体施加的力和电容器的反向压电效应是 SMPS 中可闻噪声的两个主要原因。虽然产生的可听噪音通常不会引起功能和安全问题,但它们肯定会引起烦恼和分心。通过遵守文章中指示的准则,可以快速识别产生噪音的组件并采取适当的对策来消除或至少最大限度地减少产生的声音。



审核编辑:刘清

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