开关电源中的噪声抑制：可听噪声消除技术

作者：AxelSchütz、Mark Schoppel和Florian Haas

开关电源（SMPS）从能源的角度来看特别有效，它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，使可能以为是故障迹象的用户感到担心或困惑。由于SMPS没有活动部件，因此没有理由产生噪音。

实际上，正如我们将看到的那样，这种现象非常普遍，通常在100到120 Hz之间的频带中会产生低频嗡嗡声。尽管SMPS产生的大多数可听噪声不应引起人们的关注，但重要的是要了解和识别这种现象的可能原因，因此可以采取相应的解决方案。

噪音感知

尽管此特性因人而异，并且与年龄密切相关，但人耳可听到的频率范围在16 Hz至20 kHz之间。如图1所示，较窄的频带限制了房间的声音（从63 Hz到8 kHz）和口语所用的频率范围（从300 Hz到3150 Hz）。

图1：人耳可听到的频率范围

但是，必须强调的一点是，对噪声的感知通常取决于SMPS所运行的实际环境以及所针对的特定应用。在工业领域中运行的SMPS产生的嗡嗡声和噪声通常不易被察觉到，在该行业中，通常存在会产生不同类型和不同频率的噪声的设备（装配线，电动机，压力机，车床，叉车等），并且与在办公室，学校或医疗机构中使用SMPS相比，这会令人讨厌。尽管从电气操作的角度来看无害，但在这些情况下，电源产生的可听噪声可能会分散注意力和烦扰。

尽管市场上存在无源解决方案来控制或至少减小由电子设备（封闭的机舱，吸音板等）产生的嗡嗡声和其他类型的噪声，但了解噪声产生的原因和消除噪声至关重要。确定可能的解决方案以消除这种情况。

电源中的噪声源

在SMPS的操作过程中产生的典型嗡嗡声和其他类型的可听见的声音有三个主要原因：磁场，压电效应和反馈回路。

当载流导体浸没在磁场中时，当磁场的方向和电流的方向相互垂直时，该导体将承受取最大值的力。力的方向可以通过应用弗莱明的右手法则来确定，如图2所示。

图2：弗莱明的右手法则

开关电源中两个非常常见的电子组件（变压器和电感器）具有铁芯，铁芯也可能会受到称为磁致伸缩的作用。这种现象的结果是詹姆斯·焦耳（James Joule）于1842年首次发现的，由于流过组件导体的电流导致的磁化过程，铁磁材料会改变形状或尺寸。材料体积的这些微小变化会在可听带中产生摩擦热和噪声。还应该记住，许多变压器是使用硅含量不同的硅钢（Fe-Si）制造的，以提高铁的电阻率。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），

噪声的第二个原因可归因于压电效应。1880年，居里兄弟（Curie Brothers）意识到施加在某些晶体（如石英）上的压力会产生电荷（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，据此，电场的施加可导致晶体材料变形。更精确地，通过施加一定强度的电压，产生了透镜的几何结构（长度）的变化。因此存在电能到机械能的转换，该特性例如是由压电扬声器利用的。对于这种现象特别敏感的组件是陶瓷电容器：

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电路中存在反馈环路。大多数SMPS设计为在可听频带外（即高于20 kHz）的开关频率下工作。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，给定瞬间的频率可能在可听范围内。即使开关频率固定的电源也不能避免这种现象：即使开关频率本身高于20 kHz，跳过周期或以突发模式运行实际上也会产生可听范围内的开关模式。如果常规切换脉冲序列被对应于两个或多个跳脉冲的周期无规律地打断（请参见图4），

图4：不带脉冲的不规则周期可能表示反馈回路中存在问题

可听噪声消除技术

假设电源设计正确且没有电气故障，则第一步是确定负责产生可听噪声的一个或多个组件。一种技术是通过在设备通电和运行时在电路组件上施加轻压力来使用非导电物体（例如，魔杖）。如果此操作产生或改变或降低了噪音，尤其是当涉及的部件是陶瓷或磁性设备时，我们将是一个很好的起点。如果您没有可用的可靠且安全的非导电检测设备，则可以采用由一张纸制成的基本耳角形式的自制解决方案。通过将纸包装成圆锥形并将较小的一端靠近可疑组件，

同样在这种情况下，陶瓷电容器通常由于产生的高dv / dt振荡而主要负责产生听得见的噪声，并且由于它们广泛用于输出级和钳位电路中。可能的解决方法包括用金属膜电容器代替陶瓷电容器，并串联增加其电阻。进一步的解决方案可以是用齐纳二极管代替钳位电路中的陶瓷电容器。如果可用空间允许，则可以将输出级中放置的陶瓷电容器替换为使用不同电介质制造的电容器，或者替换为等效值的并联陶瓷电容器。

图5：缓冲电路中的电容器可以用金属膜类型代替，或者可以尝试更高的电阻

对于磁性元件，可能的可听见的噪声降低技术包括变压器的浸漆，浸漆的和灌封的电感器，以及增加输入侧的电容。具有大铁芯的变压器也容易产生谐振，与小铁芯变压器相比，产生的噪声要大得多。因此，最好选择铁心较小的变压器，以适当地适应绕组数。

结论

磁场在载流导体上施加的力和电容器的反向压电效应是SMPS产生可听噪声的两个主要原因。尽管产生的可听噪声通常不应引起功能和安全方面的问题，但它们肯定会引起烦恼和干扰。通过遵守本文中指示的准则，可以快速识别产生噪声的组件，并采取适当的对策来消除或至少最小化所产生的声音。

编辑：hfy