抑制切換式電源供應器的噪音

在車裡聽到引擎的噪音，是完全正常的事，畢竟引擎室中的機器，含有移動零件。有些人甚至認為這種聲音很好聽。事實上，汽車和其他產品的製造商擁有完整的研究部門，專門負責提升和創造悅耳的聲音感受。

然而，切換式電源供應器 (SMPS) 的情況有所不同。嗡嗡或嗡嗚聲等噪音，甚至可能被理解為警告訊號。雖然電源供應器由大量電子元件構成，但在運作時，任何零件都不應該移動。所以不應該有任何噪音，不是嗎？

當 AC 電源供應器發出擾人的噪音時，最常見的原因通常會造成 100 Hz 或 120 Hz 的低頻嗡嗚聲。隨著電源供應器的複雜性與結構不斷發展，由其發出的聲波範圍也會發生變化。但是，大多數聽覺噪音都不應引起關注。

感知與效應

人們能聽到 16 Hz 至 20 kHz 左右音頻範圍內的聲波 (圖 1)。但聲音是否會使人分心或不悅，還取決於人們在產生聲音的環境中對該聲音的感知。

圖 1：人耳能聽到的音頻範圍。(圖片來源：TRACO)

當工業電源供應器產生聽覺噪音時，可能並不會給人們帶來實際問題，這是因為在有其他背景噪音的情況下，設備附近的人們大多會把這種聲音當成是在工廠工作的常態。而其他噪音的頻率和音量也可能會遮蔽電源供應器產生的頻率，這是心理聲學中研究的一種效應，並用於壓縮 MP3 音訊。另外，此類電源供應器也通常內建於帶封閉門的控制面板中，而這也有助於抑制可能產生的任何聽覺噪音。

在不同的環境中，如辦公室，人們對電源供應器噪音的反應將明顯不同。電子元件發出的嗡嗡或嗡鳴聲可能會引起反感，甚至讓人擔心是否有安全問題。

原因和背景

磁場

若載流導體位於磁場中，通常會受到作用力的影響。當電流和磁場的方向成 90 度時，此作用力最大。在此類情況下，作用力垂直於電流流向及磁場方向。此時可使用弗萊明右手定則，以右手的三隻手指判斷此力的方向 (圖 2)。

圖 2：右／左手定則。(圖片來源：TRACO)

在使用變壓器和某些電感的情況下，鐵芯也可能會受到磁致伸縮效應的影響。該效應由詹姆斯·焦耳於 1842 年首次發現。這會導致鐵磁性材料在磁化過程中發生形變或尺寸變化，而磁化過程是由電流流經元件的導體而引起。這些微小的材料體積變化不僅會引起摩擦生熱，常常還會產生聽覺噪音。

變壓器通常會使用具有不同矽含量的 Fe-Si 鋼 (稱為矽鋼)，來增加鐵的電阻率。6% 的矽鋼雖可將磁致伸縮效應降到最低，但代價是也會增加脆性。

壓電效應

噪音的另一個原因來自於壓電效應。「壓電」一詞衍生自希臘文的壓力。1880 年，居禮兄弟發現，石英等各種晶體中的壓力會產生電荷。他們將這個現象稱為「壓電效應」(圖 3)。後來，他們發現電場會使壓電材料變形。這種效應稱為「逆壓電效應」。

圖 3：在石英等材料中展現的壓電效應。(圖片來源：TRACO)

施加電壓時，逆壓電效應會使這些材料的長度發生變化。這個致動器效應會將電能轉換為機械能。而電壓變化也會改變陶瓷電容的幾何質量，使其像小型揚聲器一樣，向附近釋放壓力波。

切換拓撲和回授迴路

在實現更高效功率轉換目標的推動下，現在即使是最簡單的電源供應器產品也要整合切換拓撲。在這種設計中，所選擇的主切換頻率往往會高於人類的感知極限 (大於 20 kHz)。但是，有些切換解決方案需要變更切換頻率來適應變化的負載和輸入電壓，而為了維持最佳的轉換效率，切換頻率可能會降到人類可聽見的範圍。

在固定頻率解決方案中，雖然切換頻率本身高於 20 kHz，但跳週或突衝模式作業等功能可能會導致切換模式降到可聽範圍內。如果解決方案顯示規律的切換脈衝時不時被兩個或更多個跳過的脈衝期打斷，這可能代表回授電路有問題 (圖 4)。此時就有必要檢視回授電路元件以及任何光耦合器的工作區域。

圖 4：在固定頻率切換設計中，回授電路中的問題可能導致不規律的無脈衝期現象 (底圖)。(圖片來源：TRACO)

確定和解決聽覺噪音問題

隨著人們追求更高的功率密度，SMPS 變得越來越緊湊，因此要判斷究竟哪個元件才是噪音來源，可能非常困難。假設從電氣角度來看設計能正確運作，一個方法就是使用非傳導性物體 (例如筷子)，在裝置運作期間向電路板的各個元件輕輕施壓。進行判斷時，不妨從元件噪音的變化或降低入手，特別是陶瓷或磁性元件等主要可疑元件。

如果手邊沒有安全的非傳導性探測元件，可用一張紙做一個簡易的聽筒。捲成圓錐狀之後，可將小端的孔徑指向可疑的元件，以評估噪音的產生來源。

事實證明，dv/dt 擺盪較高的陶瓷電容往往聽起來很嘈雜，且常用於箝位電路、緩衝器電路及輸出級中。若想測試陶瓷電容是否為噪音來源，可將其替換為具有替代性介電質的電容 (如金屬薄膜電容)，或是增加串聯電阻值 (圖 5)。如果聽覺噪音降低，則應評估是否永久更換元件。

圖 5：緩衝電路中的電容可換成金屬薄膜電容，或嘗試更大的電阻。(圖片來源：TRACO)

對於箝位電路，改用齊納二極體也會有所幫助。在空間允許的情況下，有問題的輸出級電容可改用其他介電質，或替換為具有等效值的並聯陶瓷電容。

如果磁性元件是噪音來源，首先要確保輸入電壓和輸出負載一直在指定的範圍內。如果輸入電壓有時下降過多，則增加輸入側的電容會有所幫助。使用浸漆變壓器以及浸漆與灌封式電感，也可降低噪音。此外，長芯變壓器也比短芯變壓器更容易發生聲音共鳴。在可行的情況下，請考慮改用長度較短且仍能容納所需繞組數的替代芯體。

請謹記，我們重點介紹的所有可行方法都極有可能需要重複進行驗證和生產測試。

總結

載流導體在磁場中受到的作用力及電容的逆壓電效應，是電源供應器發出噪音的兩大主因。儘管模擬技術已有所進步，但通常只會在完成實際設計，或準備一定數量的電源供應器進行預生產時，聽覺噪音才會變得明顯。

雖然從功能或安全性的角度來看，電源供應器的大部分聽覺噪音都無關痛癢，但這些噪音可能會令人不勝其煩，甚至讓客戶會認為品質出了問題。本文提供一些簡單的技巧來幫助快速識別噪音來源元件。同時，也提供了建議的方法，可用於更換、固定或改動這些元件，以最大程度降低或消除不當噪音。