電源設(shè)計(jì)說(shuō)明：開(kāi)關(guān)模式解決方案中的噪聲抑制

模式切換電源（SMPS）從能量的角度來(lái)看尤其有效，它通常會(huì)受到聲波頻率范圍內(nèi)的噪聲的影響，因此人耳可以聽(tīng)到。這些噪音可能被解釋為警報(bào)信號(hào)，使用戶擔(dān)心或困惑，他們可能認(rèn)為這是故障的跡象。自從SMPS的沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，應(yīng)該沒(méi)有產(chǎn)生噪音的理由。

實(shí)際上，正如我們將看到的，這種現(xiàn)象相當(dāng)普遍，會(huì)產(chǎn)生低頻嗡嗡聲，通常在100到120赫茲之間。雖然開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的大部分可聽(tīng)噪聲不應(yīng)引起關(guān)注，但了解和識(shí)別這種現(xiàn)象的可能原因是很重要的，因此可以制定相應(yīng)的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些噪聲。

雖然這一特性因人而異，而且與年齡密切相關(guān)，但人耳聽(tīng)得見(jiàn)的頻率范圍在16赫茲到20千赫之間。如圖1所示，較窄的頻帶界定了室內(nèi)聲學(xué)（從約63赫茲到8千赫）和用于口語(yǔ)的頻率范圍（從約300赫茲到3150赫茲）。

圖1：人耳聽(tīng)得見(jiàn)的頻率范圍

然而，必須強(qiáng)調(diào)的是，噪聲的感知通常取決于SMPS工作的實(shí)際環(huán)境，以及它預(yù)期用于的特定應(yīng)用。在工業(yè)部門(mén)運(yùn)行的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的嗡嗡聲和噪音，通常有產(chǎn)生不同類型和不同頻率噪音的設(shè)備（裝配線、電動(dòng)機(jī)、壓力機(jī)、車(chē)床、，與在辦公室、學(xué)?；蜥t(yī)療機(jī)構(gòu)中使用SMP相比，叉車(chē)等）當(dāng)然不那么容易察覺(jué)和惱人。雖然從電氣操作的角度來(lái)看是無(wú)害的，但在這種情況下，電源產(chǎn)生的可聽(tīng)噪音可能會(huì)分散注意力和煩擾。

盡管市場(chǎng)上存在被動(dòng)解決方案來(lái)控制或至少最小化電子設(shè)備（封閉式駕駛室、吸音板等）產(chǎn)生的嗡嗡聲和其他類型的噪音，但了解產(chǎn)生噪音的原因并找出可能的解決方案是至關(guān)重要的。

開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的典型的嗡嗡聲和其他類型的可聽(tīng)聲音有三個(gè)主要原因：磁場(chǎng)、壓電效應(yīng)和反饋回路。

當(dāng)載流導(dǎo)體浸沒(méi)在磁場(chǎng)中時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)方向和電流方向相互垂直時(shí)，它受到的力取最大值。力的方向可以通過(guò)應(yīng)用弗萊明的右手定則來(lái)確定，如圖2所示。

圖2：弗萊明的右手法則

開(kāi)關(guān)電源中兩個(gè)非常常見(jiàn)的電子元件，變壓器和電感器，有一個(gè)鐵心，它也會(huì)受到磁致伸縮效應(yīng)的影響。1842年，詹姆斯·焦耳首次發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，由于電流流過(guò)元件導(dǎo)體，鐵磁材料的形狀或尺寸會(huì)發(fā)生變化。材料體積的這些微小變化既能產(chǎn)生摩擦熱，又能在聽(tīng)得見(jiàn)的波段產(chǎn)生噪音。還應(yīng)記住，許多變壓器使用不同硅含量的硅鋼（Fe-Si）制造，以提高鐵的電阻率。例如，硅含量為6%的鋼，以更大的脆性為代價(jià)，顯著降低了磁致伸縮效應(yīng)（包括可聽(tīng)噪聲）。

噪聲的第二個(gè)原因是壓電效應(yīng)。1880年，居里兄弟意識(shí)到施加在某些晶體上的壓力，如石英，會(huì)產(chǎn)生電荷作為一種效應(yīng)（見(jiàn)圖3）。這種現(xiàn)象被稱為“直接壓電效應(yīng)”。隨后，還發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)，根據(jù)該效應(yīng)，施加電場(chǎng)可導(dǎo)致晶體材料變形。更精確地說(shuō)，通過(guò)施加一定強(qiáng)度的電壓，透鏡的幾何結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)度）發(fā)生變化。因此，電能可以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，這是一種特性，例如壓電揚(yáng)聲器所利用的。對(duì)這種現(xiàn)象特別敏感的部件是陶瓷電容器：施加在電容器上的電壓實(shí)際上能夠改變其幾何結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)得像一個(gè)在附近****聲波的微型揚(yáng)聲器。

圖3：石英等材料突出的壓電效應(yīng)

噪聲產(chǎn)生的第三個(gè)也是最后一個(gè)原因是開(kāi)關(guān)電源電路中存在的反饋回路。大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)是在可聽(tīng)見(jiàn)的頻帶以外的開(kāi)關(guān)頻率下工作，即高于20 kHz。然而，有SMPS拓?fù)淠軌蜃詣?dòng)改變開(kāi)關(guān)頻率以補(bǔ)償負(fù)載和輸入電壓的變化；在這種情況下，給定時(shí)刻的頻率可以在可聽(tīng)見(jiàn)的范圍內(nèi)。即使具有固定開(kāi)關(guān)頻率的電源也不能免除這種現(xiàn)象：跳過(guò)周期或以突發(fā)模式工作實(shí)際上可以在可聽(tīng)見(jiàn)的范圍內(nèi)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)模式，即使開(kāi)關(guān)頻率本身高于20 kHz。如果規(guī)則開(kāi)關(guān)脈沖序列不規(guī)則地被兩個(gè)或多個(gè)跳過(guò)脈沖對(duì)應(yīng)的周期中斷（見(jiàn)圖4），則反饋回路中可能存在問(wèn)題。

圖4：沒(méi)有脈沖的不規(guī)則周期可能表明反饋回路中存在問(wèn)題

假設(shè)電源設(shè)計(jì)正確且沒(méi)有電氣故障，首先要確定產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲的部件。一種技術(shù)是使用一種非導(dǎo)電物體，比如一根魔杖，在設(shè)備通電和運(yùn)行時(shí)，對(duì)電路元件施加輕壓力。如果這個(gè)動(dòng)作能改變或減少噪音，特別是當(dāng)涉及的元件是陶瓷或磁性元件時(shí)，我們將有一個(gè)好的起點(diǎn)。如果您沒(méi)有可靠和安全的非導(dǎo)電檢測(cè)設(shè)備可用，您可以求助于自制的解決方案，即用一張紙制作一個(gè)簡(jiǎn)單的耳角。通過(guò)將紙包成錐形，并將較小的一端靠近可疑部件，可以精確地確定噪聲源。

同樣在這種情況下，陶瓷電容器通常是產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲的主要原因，這是由于它們經(jīng)歷了高dv/dt振蕩，而且它們廣泛用于輸出級(jí)和箝位電路中。可能的解決辦法是用金屬薄膜電容器代替陶瓷電容器，并串聯(lián)增加它們的電阻。另一個(gè)解決方案是用齊納二極管代替箝位電路中的陶瓷電容器。放置在輸出級(jí)的陶瓷電容器可以用不同介質(zhì)制造的電容器代替，或者用等效值的并聯(lián)陶瓷電容器來(lái)代替，前提是可用空間允許。

圖5：緩沖電路中的電容器可以換成金屬膜式，或者可以嘗試更高的電阻

至于磁性元件，可能的消聲技術(shù)包括變壓器的浸漆、浸漆和封裝電感器，以及增加輸入側(cè)的電容。大鐵心的變壓器也容易產(chǎn)生共振，產(chǎn)生比小鐵心變壓器更明顯的噪音。因此，最好選擇鐵心較小的變壓器，適當(dāng)?shù)剡m應(yīng)繞組的數(shù)量。

磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)體的作用力和電容器的反向壓電效應(yīng)是開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲的兩個(gè)主要原因。雖然產(chǎn)生的可聽(tīng)噪音通常不應(yīng)引起功能和安全問(wèn)題，但它們肯定會(huì)引起煩擾和分心。通過(guò)遵守本文所述的指南，可以快速識(shí)別產(chǎn)生噪音的部件，并采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策來(lái)消除或至少最小化產(chǎn)生的聲音。