开关电源中的噪声原因及解决方案

作者：Florian Haas，TRACO Power Group 营销总监 , Mark Schoppel, Application & Technical Sales Engineer, Traco Electronic GmbH, Axel Schütz, Technical Sales Engineer, Traco Electronic GmbH

当坐在汽车中时，我们听到发动机噪声是完全正常的事。毕竟，发动机舱内的机器含有活动部件。有人甚至觉得这种噪声令人非常愉快。事实上，汽车和其他产品的制造商拥有完整的研究部门，来专门负责完善和创造令人愉悦的声音体验。

但是，对于开关模式电源 (SMPS)，情况则有所不同。嗡嗡声或呜呜声之类的噪声甚至可能被理解为警告信号。尽管电源由大量电子元器件构成，但在运作时，任何元器件都不应该移动。因此，不应有任何噪声，不是吗？

交流电源发出干扰噪声的最常见原因通常会产生 100 Hz 或 120 Hz 的低频嗡嗡声。随着电源在复杂性和结构方面的不断发展，从它们发出的声波范围也发生了变化。但是，大多数可闻噪声都不应引起关注。

感知与效应

人们可以听到 16 Hz 至大约 20 kHz 频率范围内的声波（图 1）。但是，声音是否会引起分心或烦乱，还取决于人们在产生声音的环境中对该声音的感知。

图 1：人耳的可闻频率范围。（图片来源：TRACO）

当工业电源设备产生可闻噪声时，这可能不会对人们构成实际问题，因为在有其他背景噪声的情况下，设备附近的人们会将这种声音作为在工厂工作的正常声音部分。此外，其他噪声也可能会借助自身的频率和音量来掩盖电源产生的频率，这是心理声学中研究的一种效应，并用于 MP3 音频的压缩。此类电源还通常内置于带有封闭门的控制面板中，这也有助于抑制可能产生的任何可闻噪声。

在不同的环境（例如办公室）中，人们对电源噪声的反应将明显不同。电气设备发出的嗡嗡声或呜呜声可能会令人不快，甚至可能引起对设备安全性的担忧。

原因和背景

磁场

如果载流导体位于磁场中，则通常会受到力的作用。当电流和磁场的方向成 90° 角时，该力的作用最大。在此类情况下，该作用力垂直于电流流向和磁场方向。通过使用弗来明右手定则，可以用右手的三个手指确定该力的方向（图 2）。

图 2：左右手定则。（图片来源：TRACO）

在使用变压器和一些电感器的环境下，铁芯也可能受到称为磁致伸缩效应的影响，这种效应最早由詹姆士 焦耳在 1842 年发现。它会导致铁磁材料在磁化过程中改变形状或尺寸，而磁化过程是由流过元件导体的电流所致。这些微小的材料体积变化不仅会导致摩擦发热，而且经常会产生可闻噪声。

变压器通常使用 Fe-Si 钢（称为硅钢），它们具有不同硅含量，有助于提高铁的电阻率。6% 硅钢虽然能将磁致伸缩效应降至最低，但必须付出脆性增加的代价。

压电效应

压电效应是导致噪声的另一个原因。“压电”一词源自希腊语中的压力。1880 年，居里兄弟发现，石英等各种晶体中的压力会产生电荷。他们称这种现象为“压电效应”（图 3）。后来，他们注意到电场会使压电材料发生变形。这种效应称为“逆压电效应”。

图 3：在石英等材料中展现的压电效应。（图片来源：TRACO）

当施加电压时，逆压电效应会导致这些材料的长度发生变化。该致动器效应会将电能转换为机械能。电压的变化也会改变陶瓷电容器的几何特性，从而使它们像微型扬声器一样工作，向附近发出压力波。

开关拓扑和反馈回路

要驱动更高效的电源转换，则意味着开关拓扑甚至要集成到最简单的电源产品中。此类设计中选择的主开关频率通常会高于人类感知的极限 (>20 kHz)。但是，在依靠改变开关频率来适应变化的负载和输入电压的开关解决方案中，为了保持最佳的转换效率，开关频率可能会降低到可闻范围内。

在固定频率解决方案中，尽管开关频率本身在 20 kHz 以上，但周期跳步或猝发模式操作等功能仍可能导致开关模式处于可闻范围内。如果该解决方案显示规则的开关脉冲被两个或更多个跳步脉冲的周期不规则打破，则可能表明反馈电路存在问题（图 4）。此时就值得花时间检查反馈电路元器件和任何光耦合器的工作区域。

图 4：反馈电路中的问题会导致固定频率开关设计中出现不规则的无脉冲周期（下图）。（图片来源：TRACO）

确定和解决可闻噪声问题

由于人们不断追求更高的功率密度，SMPS 变得越来越紧凑，甚至很难准确确定哪个元器件是可闻噪声源。假设从电气角度来说设计正常运作，一种方法是使用非导电物体（例如筷子）在设备工作时对电路板上的各个元器件轻轻施加压力。噪声的变化或降低，尤其是主要可疑元器件（例如陶瓷或磁性器件）中的变化或降低，可能提供一个很好的起点。

如果手头没有安全的非导电探测装置，则可以用一张纸制作一个简单的听筒。卷成圆锥形后，将小端的孔指向可疑元器件，可评估噪声源。

事实证明，承受高 dv/dt 摆幅的陶瓷电容器通常会发出可闻噪声，它们往往出现在钳位电路、吸收电路以及输出级中。若要测试它们是否为噪声源，可以将其替换为具有替代电介质的电容器（例如金属薄膜），或者可以增加串联电阻（图 5）。如果可闻噪声降低，则应评估是否永久更换元器件。

图 5：吸收电路中的电容器可换成金属薄膜型，或者可以尝试使用更大的电阻。（图片来源：TRACO）

对于钳位电路，改为使用齐纳二极管也会有所帮助。如果空间允许，可以将有问题的输出级电容器换成其他电介质，或者替换为等效值的并联陶瓷电容器。

如果磁性元器件是噪声源，首先确保输入电压和输出负载始终在指定范围内。如果输入电压有时下降过低，则增加输入端的电容会有所帮助。变压器的含浸处理，以及含浸和灌封的电感器是降低噪声的一种方法。此外，长铁芯变压器也往往比短铁芯变压器产生更多共鸣音。在可能的情况下，考虑改用仍可容纳所需数量绕组的较短替代铁芯。

请谨记，对于所有重点介绍的可能方法，很可能需要重复进行验证和生产测试。

总结

载流导体在磁场中受力和电容器的逆压电效应都是电源装置发出可闻噪声的主要因素。尽管在模拟方面取得了进步，但通常只有在设计实际成型后，可闻噪声才会变得明显，有时只有在一定数量的电源已经准备好进行试生产时，才会出现可闻噪声。

虽然从功能或安全角度来说，电源中的多数可闻噪声都无需过多关注，但可能会令人烦恼，甚至被客户视为质量问题。通过遵循本文提供的一些简单技巧，可以快速找出作为噪声源的元器件，并可使用建议的方法对其进行替换、固定或更改，以最大程度地减少或消除所产生的噪音。