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行业动态
 


开关模式解决方案中的噪声抑制
 
模式切换电源(SMPS)从能量的角度来看尤其有效,它通常会受到声波频率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,使用户担心或困惑,他们可能认为这是故障的迹象。自从SMPS的没有运动部件,应该没有产生噪音的理由。

实际上,正如我们将看到的,这种现象相当普遍,会产生低频嗡嗡声,通常在100到120赫兹之间。虽然开关电源产生的大部分可听噪声不应引起关注,但了解和识别这种现象的可能原因是很重要的,因此可以制定相应的解决方案来应对这些噪声。

虽然这一特性因人而异,而且与年龄密切相关,但人耳听得见的频率范围在16赫兹到20千赫之间。较窄的频带界定了室内声学(从约63赫兹到8千赫)和用于口语的频率范围(从约300赫兹到3150赫兹)。

然而,必须强调的是,噪声的感知通常取决于SMPS工作的实际环境,以及它预期用于的特定应用。在工业部门运行的开关电源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、,与在办公室、学校或医疗机构中使用SMP相比,叉车等)当然不那么容易察觉和恼人。虽然从电气操作的角度来看是无害的,但在这种情况下,电源产生的可听噪音可能会分散注意力和烦扰。

尽管市场上存在被动解决方案来控制或至少最小化电子设备(封闭式驾驶室、吸音板等)产生的嗡嗡声和其他类型的噪音,但了解产生噪音的原因并找出可能的解决方案是至关重要的。

开关电源运行过程中产生的典型的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。当载流导体浸没在磁场中时,当磁场方向和电流方向相互垂直时,它受到的力取最大值。力的方向可以通过应用弗莱明的右手定则来确定。

开关电源中两个非常常见的电子元件,变压器和电感器,有一个铁心,它也会受到磁致伸缩效应的影响。1842年,詹姆斯·焦耳首次发现了这种现象,由于电流流过元件导体,铁磁材料的形状或尺寸会发生变化。材料体积的这些微小变化既能产生摩擦热,又能在听得见的波段产生噪音。还应记住,许多变压器使用不同硅含量的硅钢(Fe-Si)制造,以提高铁的电阻率。例如,硅含量为6%的钢,以更大的脆性为代价,显著降低了磁致伸缩效应(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上的压力,如石英,会产生电荷作为一种效应。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,施加电场可导致晶体材料变形。更精确地说,通过施加一定强度的电压,透镜的几何结构(长度)发生变化。因此,电能可以转换成机械能,这是一种特性,例如压电扬声器所利用的。对这种现象特别敏感的部件是陶瓷电容器:施加在电容器上的电压实际上能够改变其几何结构,使其表现得像一个在附近发射声波的微型扬声器。

噪声产生的第三个也是最后一个原因是开关电源电路中存在的反馈回路。大多数开关电源的设计是在可听见的频带以外的开关频率下工作,即高于20 kHz。然而,有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,给定时刻的频率可以在可听见的范围内。即使具有固定开关频率的电源也不能免除这种现象:跳过周期或以突发模式工作实际上可以在可听见的范围内产生开关模式,即使开关频率本身高于20 kHz。如果规则开关脉冲序列不规则地被两个或多个跳过脉冲对应的周期中断,则反馈回路中可能存在问题。

假设电源设计正确且没有电气故障,首先要确定产生可听噪声的部件。一种技术是使用一种非导电物体,比如一根魔杖,在设备通电和运行时,对电路元件施加轻压力。如果这个动作能改变或减少噪音,特别是当涉及的元件是陶瓷或磁性元件时,我们将有一个好的起点。如果您没有可靠和安全的非导电检测设备可用,您可以求助于自制的解决方案,即用一张纸制作一个简单的耳角。通过将纸包成锥形,并将较小的一端靠近可疑部件,可以精确地确定噪声源。

同样在这种情况下,陶瓷电容器通常是产生可听噪声的主要原因,这是由于它们经历了高dv/dt振荡,而且它们广泛用于输出级和箝位电路中。可能的解决办法是用金属薄膜电容器代替陶瓷电容器,并串联增加它们的电阻。另一个解决方案是用齐纳二极管代替箝位电路中的陶瓷电容器。放置在输出级的陶瓷电容器可以用不同介质制造的电容器代替,或者用等效值的并联陶瓷电容器来代替,前提是可用空间允许。

至于磁性元件,可能的消声技术包括变压器的浸漆、浸漆和封装电感器,以及增加输入侧的电容。大铁心的变压器也容易产生共振,产生比小铁心变压器更明显的噪音。因此,最好选择铁心较小的变压器,适当地适应绕组的数量。

磁场对载流导体的作用力和电容器的反向压电效应是开关电源产生可听噪声的两个主要原因。虽然产生的可听噪音通常不应引起功能和安全问题,但它们肯定会引起烦扰和分心。通过遵守本文所述的指南,可以快速识别产生噪音的部件,并采取适当的对策来消除或至少最小化产生的声音。
 
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