作者：AxelSchütz、Mark Schoppel和Florian Haas

開關電源（SMPS）從能源的角度來看特別有效，它通常會受到落在聲頻范圍內(nèi)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，使可能以為是故障跡象的用戶感到擔心或困惑。由于SMPS沒有活動部件，因此沒有理由產(chǎn)生噪音。

實際上，正如我們將看到的那樣，這種現(xiàn)象非常普遍，通常在100到120 Hz之間的頻帶中會產(chǎn)生低頻嗡嗡聲。盡管SMPS產(chǎn)生的大多數(shù)可聽噪聲不應引起人們的關注，但重要的是要了解和識別這種現(xiàn)象的可能原因，因此可以采取相應的解決方案。

噪音感知

盡管此特性因人而異，并且與年齡密切相關，但人耳可聽到的頻率范圍在16 Hz至20 kHz之間。如圖1所示，較窄的頻帶限制了房間的聲音（從63 Hz到8 kHz）和口語所用的頻率范圍（從300 Hz到3150 Hz）。

圖1：人耳可聽到的頻率范圍

但是，必須強調(diào)的一點是，對噪聲的感知通常取決于SMPS所運行的實際環(huán)境以及所針對的特定應用。在工業(yè)領域中運行的SMPS產(chǎn)生的嗡嗡聲和噪聲通常不易被察覺到，在該行業(yè)中，通常存在會產(chǎn)生不同類型和不同頻率的噪聲的設備（裝配線，電動機，壓力機，車床，叉車等），并且與在辦公室，學校或醫(yī)療機構(gòu)中使用SMPS相比，這會令人討厭。盡管從電氣操作的角度來看無害，但在這些情況下，電源產(chǎn)生的可聽噪聲可能會分散注意力和煩擾。

盡管市場上存在無源解決方案來控制或至少減小由電子設備（封閉的機艙，吸音板等）產(chǎn)生的嗡嗡聲和其他類型的噪聲，但了解噪聲產(chǎn)生的原因和消除噪聲至關重要。確定可能的解決方案以消除這種情況。

電源中的噪聲源

在SMPS的操作過程中產(chǎn)生的典型嗡嗡聲和其他類型的可聽見的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，當磁場的方向和電流的方向相互垂直時，該導體將承受取最大值的力。力的方向可以通過應用弗萊明的右手法則來確定，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組件（變壓器和電感器）具有鐵芯，鐵芯也可能會受到稱為磁致伸縮的作用。這種現(xiàn)象的結(jié)果是詹姆斯·焦耳（James Joule）于1842年首次發(fā)現(xiàn)的，由于流過組件導體的電流導致的磁化過程，鐵磁材料會改變形狀或尺寸。材料體積的這些微小變化會在可聽帶中產(chǎn)生摩擦熱和噪聲。還應該記住，許多變壓器是使用硅含量不同的硅鋼（Fe-Si）制造的，以提高鐵的電阻率。例如，含6％硅的鋼可顯著降低磁致伸縮產(chǎn)生的影響（包括可聽噪聲），

噪聲的第二個原因可歸因于壓電效應。1880年，居里兄弟（Curie Brothers）意識到施加在某些晶體（如石英）上的壓力會產(chǎn)生電荷（見圖3）。這種現(xiàn)象被稱為“直接壓電效應”。隨后，還發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應，據(jù)此，電場的施加可導致晶體材料變形。更精確地，通過施加一定強度的電壓，產(chǎn)生了透鏡的幾何結(jié)構(gòu)（長度）的變化。因此存在電能到機械能的轉(zhuǎn)換，該特性例如是由壓電揚聲器利用的。對于這種現(xiàn)象特別敏感的組件是陶瓷電容器：

圖3：石英等材料突出的壓電效應

產(chǎn)生噪聲的第三個也是最后一個原因是SMPS電路中存在反饋環(huán)路。大多數(shù)SMPS設計為在可聽頻帶外（即高于20 kHz）的開關頻率下工作。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，給定瞬間的頻率可能在可聽范圍內(nèi)。即使開關頻率固定的電源也不能避免這種現(xiàn)象：即使開關頻率本身高于20 kHz，跳過周期或以突發(fā)模式運行實際上也會產(chǎn)生可聽范圍內(nèi)的開關模式。如果常規(guī)切換脈沖序列被對應于兩個或多個跳脈沖的周期無規(guī)律地打斷（請參見圖4），

圖4：不帶脈沖的不規(guī)則周期可能表示反饋回路中存在問題

可聽噪聲消除技術(shù)

假設電源設計正確且沒有電氣故障，則第一步是確定負責產(chǎn)生可聽噪聲的一個或多個組件。一種技術(shù)是通過在設備通電和運行時在電路組件上施加輕壓力來使用非導電物體（例如，魔杖）。如果此操作產(chǎn)生或改變或降低了噪音，尤其是當涉及的部件是陶瓷或磁性設備時，我們將是一個很好的起點。如果您沒有可用的可靠且安全的非導電檢測設備，則可以采用由一張紙制成的基本耳角形式的自制解決方案。通過將紙包裝成圓錐形并將較小的一端靠近可疑組件，

同樣在這種情況下，陶瓷電容器通常由于產(chǎn)生的高dv / dt振蕩而主要負責產(chǎn)生聽得見的噪聲，并且由于它們廣泛用于輸出級和鉗位電路中。可能的解決方法包括用金屬膜電容器代替陶瓷電容器，并串聯(lián)增加其電阻。進一步的解決方案可以是用齊納二極管代替鉗位電路中的陶瓷電容器。如果可用空間允許，則可以將輸出級中放置的陶瓷電容器替換為使用不同電介質(zhì)制造的電容器，或者替換為等效值的并聯(lián)陶瓷電容器。

圖5：緩沖電路中的電容器可以用金屬膜類型代替，或者可以嘗試更高的電阻

對于磁性元件，可能的可聽見的噪聲降低技術(shù)包括變壓器的浸漆，浸漆的和灌封的電感器，以及增加輸入側(cè)的電容。具有大鐵芯的變壓器也容易產(chǎn)生諧振，與小鐵芯變壓器相比，產(chǎn)生的噪聲要大得多。因此，最好選擇鐵心較小的變壓器，以適當?shù)剡m應繞組數(shù)。

結(jié)論

磁場在載流導體上施加的力和電容器的反向壓電效應是SMPS產(chǎn)生可聽噪聲的兩個主要原因。盡管產(chǎn)生的可聽噪聲通常不應引起功能和安全方面的問題，但它們肯定會引起煩惱和干擾。通過遵守本文中指示的準則，可以快速識別產(chǎn)生噪聲的組件，并采取適當?shù)膶Σ邅硐蛑辽僮钚』a(chǎn)生的聲音。

編輯：hfy