Dempe akustisk støy i switched-mode-strømforsyninger

Når du sitter i en bil, er motorstøyen vi opplever helt normalt. Motorrommet inneholder tross alt en maskin med bevegelige deler. Noen vil til og med beskrive denne støyen som behagelig. Faktisk har bilprodusenter og produsenter av andre produkter hele forskningsavdelinger som arbeider med å skape behagelige lydopplevelser.

Det er imidlertid en annen situasjon med switched-mode-strømforsyninger (SMPS). Lyder som summing eller hvining kan til og med tolkes som varselsignal. Selv om strømforsyningene består av et stort antall elektroniske komponenter, er det ingenting som skal flytte på seg under drift. Derfor skulle det ikke vært noe støy, ikke sant?

Den vanligste årsaken til forstyrrende støy fra AC-strømforsyninger fører som regel til en summing på en lav frekvens på 100 eller 120 Hz. Etter hvert som strømforsyninger har utviklet seg i kompleksitet og struktur, er lydbølgeområdet som produseres av dem, også endret. De fleste hørbare lyder skal imidlertid ikke være en grunn til bekymring.

Oppfatning og effekt

Mennesker kan høre lydbølger i frekvensområdet fra 16 Hz til omtrent 20 kHz (figur 1). Men hvorvidt en lyd forårsaker distraksjon eller irritasjon, avhenger også av oppfatningen av den lyden i miljøet der den oppstår.

Figur 1: Hørbart frekvensområde for det menneskelige øret. (Bildekilde: TRACO)

En industriell strømforsyningsenhet som genererer hørbart støy, utgjør sannsynligvis ikke et reelt problem for mennesker, ettersom de fleste i nærheten vil oppleve det i forbindelse med andre bakgrunnslyder og som en normal del av å jobbe på fabrikk. Andre lyder, på grunn av frekvens og volum, kan også skjule frekvensene som genereres av en strømforsyning, en effekt som er studert innen psykoakustikk og brukt i kompresjonen av lyd i MP3-filer. Slikt utstyr er også vanlig å bygge inn i kontrollpaneler med lukkede dører som også bidrar til å dempe all hørbar støy som kan genereres.

I et annet miljø, for eksempel et kontor, er reaksjonen på strømforsyningsstøyen helt annerledes. En hvining eller summing fra en elektrisk enhet blir sannsynligvis oppfattet som ubehagelig, og kan til og med skape bekymringer om sikkerheten.

Årsaker og bakgrunn

De magnetiske feltene

Hvis en strømbærende leder befinner seg i et magnetfelt, er det vanligvis underlagt en kraft. Effekten av denne kraften er størst når strømretningen og retningen for det magnetiske feltet danner en 90° vinkel. I slike tilfeller er støtkraften vertikal for strømflyten og retningen på magnetfeltet. Tre fingre på høyre hånd kan brukes til å bestemme retningen på denne kraften ved hjelp av Flemings høyrehåndsregel (figur 2).

Figur 2: Høyre-/venstrehåndsregel. (Bildekilde: TRACO)

I forbindelse med transformatorer og enkelte induktorer kan en jernkjerne også utsettes for en effekt kjent som magnetostriksjon, en effekt som først ble identifiseret av James Joule i 1842. Den fører til at ferromagnetiske materialer endrer form eller dimensjon under magnetisering, og dette gjør at strømmen strømmer gjennom komponentens leder. I tillegg til å lede til friksjonsvarme, genererer disse små endringene i materialvolumet ofte hørbart støy.

Transformatorer bruker ofte Fe-Si-stål (kjent som silisiumstål) med varierende silisiuminnhold som bidrar til å øke den elektriske motstandsdyktigheten til jernet. 6 % silisiumstål er optimalt et nivå for reduksjon av magnetostriksjon, men dette må veies opp mot økt skjørhet.

Piezoeffekten

En annen årsak til støy kommer fra piezoeffekten. Ordet «piezo» kommer fra det greske ordet for trykk. I 1880 oppdaget Jacques og Pierre Curie at trykket i ulike krystaller, for eksempel kvarts, genererte elektrisk ladning. De kalte dette fenomenet «piezoeffekten» (figur 3). Senere la de merke til at elektriske felt kan deformere piezoelektriske materialer. Denne effekten er kjent som «reversert piezoeffekt».

Figur 3: Piezoeffekten demonstrert i materialer som kvarts. (Bildekilde: TRACO)

Den reverserte piezoelektriske effekten fører til en lengdeendring i disse materialene når det påføres elektrisk spenning. Denne aktuatoreffekten omdanner elektrisk energi til mekanisk energi. Endringer i spenningen påvirker også den geometriske massen til keramikkondensatorer, noe som resulterer i at de opptrer som små høyttalere som sender ut trykkbølger i umiddelbar nærhet.

Omkoblingstopologier og tilbakeføringssløyfer

Ønsket om stadig mer effektiv strømkonvertering betyr at omkoblingstopologier integreres i selv de enkleste strømforsyningsproduktene. Den primære omkoblingsfrekvensen som velges i slike design, ligger ofte over grensen for menneskets oppfatning (> 20 kHz). Men i omkoblingsløsninger som er avhengige av å endre omkoblingsfrekvensen for å tilpasse seg endrende belastnings- og inngangsspenning, kan denne falle inn i det hørbare området for å opprettholde optimal konverteringseffektivitet.

I løsninger med fast frekvens kan funksjoner som syklushopp eller burstmodusdrift resultere i et omkoblingsmønster som faller til det hørbare området, til tross for at selve omkoblingsfrekvensen er over 20 kHz. Hvis løsningen viser regelmessige omkoblingspulser som brytes uregelmessig av perioder med to eller flere pulshopp, kan dette indikere problemer med tilbakekoblingskretsen (figur 4). Her er det verdt å sjekke komponentene i tilbakekoblingskretsen og driftsområdet til eventuelle optokoblere.

Figur 4: Problemer i tilbakekoblingskretsen kan føre til uregelmessige pulsløse perioder (bunngraf) i omkoblingsdesign med fast frekvens. (Bildekilde: TRACO)

Fastslå og løse problemer med hørbart støy

Samtidig som SMPS-er blir stadig mer kompakte, takket være etterspørselen for stadig høyere strømtettheter, kan det være utfordrende å fastslå nøyaktig hvilken komponent som er kilden til den hørbare støyen. Forutsatt at designet fungerer korrekt fra et elektrisk standpunkt, er én tilnærming å bruke et ikke-ledende objekt, for eksempel en spisepinne, og påføre lett trykk på hver enkelt komponent på kretskortet mens enheten er i drift. Endringer eller reduksjon av støy, spesielt blant de mest sannsynlige komponentene, som for eksempel keramiske eller magnetiske enheter, kan være et godt utgangspunkt.

Hvis det ikke finnes noen trygge, ikke-ledende følergjenstander tilgjengelig, kan du lage et primitivt hørerør av et papirark. Rull arket til en kjegle og sett åpningen på den smaleste enden mot den mistenkte komponenten for å evaluere om støyen kommer derfra.

Keramikkondensatorer som gjennomgår høye DV/DT-svingninger, viser seg ofte å være hørbart bråkete og finnes som regel i klemme- og demperkretser, så vel som i utgangsdeler. For å teste om disse er støykilder, kan du erstatte dem med kondensatorer av alternative ikke-ledende materialer, for eksempel metallfilm, eller du kan øke seriemotstanden (figur 5). Hvis den hørbare støyen reduseres, skal en permanent endring i komponenten evalueres.

Figur 5: Kondensatoren i deerkretsen kan byttes ut med en metallfilmtype, eller større motstand kan prøves. (Bildekilde: TRACO)

Det kan også hjelpe å bytte klemmekretser og bruke zenerdioder. Kondensatorer med problematiske utganger kan byttes ut med en annen dielektrisk, eller erstattes med parallelle keramiske kondensatorer med tilsvarende verdi hvis plassen tillater det.

Hvis magnetiske komponenter er støykilden, må du først sørge for at inngangsspenningen og utgangsbelastningen alltid er innenfor det angitte området. Økende kapasitans på inngangssiden kan hjelpe hvis inngangsspenningen noen ganger faller for mye. Dypplakkering av transformatorer og dypplakkerte og innkapslede induktorer er én måte å redusere støyen på. Transformatorer med lang kjernelengde har også en tendens til å resonere mer hørbart enn de med kort kjernelengde. Når det er mulig, bør du vurdere å bytte til en alternativ kortere kjerne som fortsatt takler det påkrevde antallet viklinger.

Man bør være oppmerksom på at for alle de nevnte alternativene, blir gjentagelsen av verifisering og produksjonstesting svært sannsynlig.

Sammendrag

Både krafteffekten til strømbærende ledere i magnetfelt og den omvendte piezoeffekten av kondensatorer er hovedsakelig ansvarlig for de hørbare lydene som kommer fra strømforsyningsenheter. Til tross for fremskritt innen simulering, merker man vanligvis hørbar støy først når enheten er fysisk bygd, og noen ganger bare når en mengde strømforsyninger er klargjort for førproduksjon.

Selv om mesteparten av den hørbare støyen i strømforsyninger ikke bør gi noen grunn til bekymring med hensyn til funksjonalitet eller sikkerhet, kan den være irriterende og til og med bli oppfattet som et kvalitetsproblem av kunder. Ved å følge noen av de enkle tipsene som er oppgitt her, kan du raskt identifisere komponentene som er støykilder, og ved å bruke de foreslåtte tilnærmingene, kan disse erstattes, festes eller modifiseres for å minimere eller fjerne ulydene som genereres.