電源設計說明：開關模式解決方案中的噪聲抑制

模式切換電源（SMPS）從能量的角度來看尤其有效，它通常會受到聲波頻率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，使用戶擔心或困惑，他們可能認為這是故障的跡象。自從SMPS的沒有運動部件，應該沒有產生噪音的理由。

實際上，正如我們將看到的，這種現象相當普遍，會產生低頻嗡嗡聲，通常在100到120赫茲之間。雖然開關電源產生的大部分可聽噪聲不應引起關注，但了解和識別這種現象的可能原因是很重要的，因此可以制定相應的解決方案來應對這些噪聲。

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

圖1：人耳聽得見的頻率范圍

然而，必須強調的是，噪聲的感知通常取決于SMPS工作的實際環境，以及它預期用于的特定應用。在工業部門運行的開關電源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、，與在辦公室、學校或醫療機構中使用SMP相比，叉車等）當然不那么容易察覺和惱人。雖然從電氣操作的角度來看是無害的，但在這種情況下，電源產生的可聽噪音可能會分散注意力和煩擾。

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

開關電源運行過程中產生的典型的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。

當載流導體浸沒在磁場中時，當磁場方向和電流方向相互垂直時，它受到的力取最大值。力的方向可以通過應用弗萊明的右手定則來確定，如圖2所示。

圖2：弗萊明的右手法則

開關電源中兩個非常常見的電子元件，變壓器和電感器，有一個鐵心，它也會受到磁致伸縮效應的影響。1842年，詹姆斯·焦耳首次發現了這種現象，由于電流流過元件導體，鐵磁材料的形狀或尺寸會發生變化。材料體積的這些微小變化既能產生摩擦熱，又能在聽得見的波段產生噪音。還應記住，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，顯著降低了磁致伸縮效應（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上的壓力，如石英，會產生電荷作為一種效應（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，施加電場可導致晶體材料變形。更精確地說，通過施加一定強度的電壓，透鏡的幾何結構（長度）發生變化。因此，電能可以轉換成機械能，這是一種特性，例如壓電揚聲器所利用的。對這種現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際上能夠改變其幾何結構，使其表現得像一個在附近****聲波的微型揚聲器。

圖3：石英等材料突出的壓電效應

噪聲產生的第三個也是最后一個原因是開關電源電路中存在的反饋回路。大多數開關電源的設計是在可聽見的頻帶以外的開關頻率下工作，即高于20 kHz。然而，有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，給定時刻的頻率可以在可聽見的范圍內。即使具有固定開關頻率的電源也不能免除這種現象：跳過周期或以突發模式工作實際上可以在可聽見的范圍內產生開關模式，即使開關頻率本身高于20 kHz。如果規則開關脈沖序列不規則地被兩個或多個跳過脈沖對應的周期中斷（見圖4），則反饋回路中可能存在問題。

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

假設電源設計正確且沒有電氣故障，首先要確定產生可聽噪聲的部件。一種技術是使用一種非導電物體，比如一根魔杖，在設備通電和運行時，對電路元件施加輕壓力。如果這個動作能改變或減少噪音，特別是當涉及的元件是陶瓷或磁性元件時，我們將有一個好的起點。如果您沒有可靠和安全的非導電檢測設備可用，您可以求助于自制的解決方案，即用一張紙制作一個簡單的耳角。通過將紙包成錐形，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生可聽噪聲的主要原因，這是由于它們經歷了高dv/dt振蕩，而且它們廣泛用于輸出級和箝位電路中。可能的解決辦法是用金屬薄膜電容器代替陶瓷電容器，并串聯增加它們的電阻。另一個解決方案是用齊納二極管代替箝位電路中的陶瓷電容器。放置在輸出級的陶瓷電容器可以用不同介質制造的電容器代替，或者用等效值的并聯陶瓷電容器來代替，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，可能的消聲技術包括變壓器的浸漆、浸漆和封裝電感器，以及增加輸入側的電容。大鐵心的變壓器也容易產生共振，產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，適當地適應繞組的數量。

磁場對載流導體的作用力和電容器的反向壓電效應是開關電源產生可聽噪聲的兩個主要原因。雖然產生的可聽噪音通常不應引起功能和安全問題，但它們肯定會引起煩擾和分心。通過遵守本文所述的指南，可以快速識別產生噪音的部件，并采取適當的對策來消除或至少最小化產生的聲音。