Dæmpning af akustisk støj i switched-mode strømforsyninger

Når vi sidder i en bil, er den motorstøj, vi oplever, helt normal. Motorrummet indeholder trods alt en maskine med bevægelige dele. Nogle mennesker vil endda definere denne støj som meget behagelig. Faktisk har producenter af biler og andre produkter hele forskningsafdelinger, der er dedikeret til at finjustere – og skabe – behagelige lydoplevelser.

Det er dog en anden situation med switched-mode strømforsyninger (SMPS'er). Lyde som f.eks. brummen eller hylen kan endda tolkes som et advarselssignal. Selvom strømforsyninger består af et stort antal elektroniske komponenter, bør der ikke være nogen dele i bevægelse. Derfor bør der ikke være nogen støj, eller?

Den mest almindelige årsag til forstyrrende støj fra AC-strømforsyninger resulterede typisk i en lavfrekvent brummen ved 100 eller 120 Hz. I takt med at strømforsyninger har udviklet sig med hensyn til kompleksitet og struktur, er der også sket ændringer i, hvilke lydbølger der udsendes fra dem. De fleste hørbare lyde bør dog ikke give anledning til bekymring.

Opfattelse og virkning

Mennesker kan høre lydbølger i frekvensområdet fra ca. 16 Hz til ca. 20 kHz (figur 1). Men hvorvidt en lyd forårsager distraktion eller irritation, afhænger også af opfattelsen af denne lyd i det miljø, hvor den genereres.

Figur 1: Hørbart frekvensområde for det menneskelige øre. (Billedkilde: TRACO)

En industriel strømforsyningsenhed, der genererer akustisk støj, udgør sandsynligvis ikke et reelt problem for mennesker, da de fleste mennesker i nærheden vil opleve den i forbindelse med andre baggrundslyde som en normal del af arbejdet på en fabrik. Andre lyde kan, i kraft af deres frekvens og volumen, også maskere de frekvenser, der genereres af en strømforsyning – det er en effekt, der er studeret inden for psykoakustik, og som bruges til kompression af lyd i MP3-filer. Sådanne forsyninger er også typisk indbygget i kontrolpaneler med lukkede døre, der også bidrager til at dæmpe eventuel akustisk støj.

I et andet miljø, som f.eks. et kontor, vil reaktionen på støj fra strømforsyningen være markant anderledes. En hylen eller en brummen fra en elektrisk enhed vil sandsynligvis blive opfattet som ubehagelig og kan endda give anledning til bekymringer om sikkerheden.

Årsager og baggrund

Magnetfelterne

Hvis en strømførende leder er placeret i et magnetfelt, er den generelt underlagt en kraft. Effekten af denne kraft er størst, når den elektriske strøms og magnetfeltets retninger danner en vinkel på 90°. I sådanne tilfælde er den påvirkende kraft vinkelret i forhold til strømmens og magnetfeltets retning. Denne krafts retning kan bestemmes ved hjælp af tre fingre på højre hånd jf. Flemings højrehåndsregel (figur 2).

Figur 2: Højre-/venstrehåndsregel. (Billedkilde: TRACO)

I forbindelse med transformatorer og nogle induktionsspoler kan en jernkerne også påvirkes af såkaldt magnetostriktion, en effekt der blev opdaget af James Joule i 1842. Den medfører, at ferromagnetiske materialer ændrer form eller dimensioner under den magnetiseringsproces, der følger af den strøm, der løber gennem komponentens leder. Ud over at føre til friktionsvarme genererer disse små ændringer i materialevolumen ofte også hørbar støj.

Transformere anvender ofte Fe-Si-stål (kendt som siliciumstål) med forskelligt siliciumindhold, hvilket er med til at øge jernets elektriske resistivitet. 6 % siliciumstål giver den optimale reduktion i magnetostriktion, men prisen er øget skørhed.

Piezo-effekten

En yderligere årsag til støj skyldes piezo-effekten. Ordet "piezo" stammer fra det græske ord for tryk. I 1880 opdagede Jacques og Pierre Curie, at trykket i forskellige krystaller, som f.eks. kvarts, genererer en elektrisk ladning. De kaldte dette fænomen for "piezo-effekten" (figur 3). Senere opdagede de, at elektriske felter kan deformere piezoelektriske materialer. Denne effekt er kendt som den "omvendte piezo-effekt".

Figur 3: Piezo-effekten som påvist i materialer som f.eks. kvarts. (Billedkilde: TRACO)

Den omvendte piezoelektriske effekt medfører en længdeforandring i disse materialer, når der tilføres elektrisk spænding. Denne aktuatoreffekt konverterer elektrisk energi til mekanisk energi. Ændringer i spænding ændrer også den geometriske masse af keramiske kondensatorer, hvilket resulterer i, at de fungerer som små højtalere, der udsender trykbølger.

Switching-topologier og feedbacksløjfer

Overgangen til en stadig mere effektiv strømkonvertering betyder, at switching-topologi integreres i selv de enkleste strømforsyningsprodukter. Den primære switchfrekvens, der er valgt i sådanne design, vil ofte blive valgt, så den ligger over grænsen for menneskelig hørelse (>20 kHz). I switching-løsninger, der er afhængige af at ændre deres switchfrekvens for at tilpasse sig ændringer i belastnings- og indgangsspændingen, kan den dog falde inden for det hørbare område for at opretholde optimal konverteringseffektivitet.

I løsninger med fast frekvens kan funktioner som f.eks. cyklusspring eller burst-tilstand resultere i et switchmønster, der falder inden for det hørbare område, på trods af at selve switchfrekvensen ligger over 20 kHz. Hvis løsningen udviser regelmæssige switchimpulser, der brydes uregelmæssigt af overspring i perioder på to eller flere impulser, kan dette indikere problemer med feedbackkredsløbet (figur 4). Her er det en god idé at gennemgå feedbackkredsløbets komponenter og driftsområdet for enhver optokoblere.

Figur 4: Problemer i feedbackkredsløbet kan resultere i uregelmæssige perioder uden impulser (nederste graf) i switching-design med fast frekvens. (Billedkilde: TRACO)

Bestemmelse og løsning af problemer med akustisk støj

I takt med at SMPS'er bliver mere og mere kompakte som følge af ønsket om endnu højere effekttætheder, kan det være svært at bestemme, præcis hvilken komponent der er den akustiske støjkilde. Hvis designet fungerer korrekt ud fra et elektrisk synspunkt, er én fremgangsmåde at tage en ikke-ledende genstand, som f.eks. en spisepind, og trykke let på de enkelte komponenter på printkortet, mens enheden er i drift. Ændringer eller reduktioner i støj, især blandt de mest oplagte komponenter, som f.eks. keramiske eller magnetiske enheder, kan være et godt udgangspunkt.

Hvis man ikke har noget sikkert, ikke-ledende objekt ved hånden, kan man lave et simpelt hørerør af et ark papir. Når papiret er formet til en kegle, kan man undersøge støjkilder ved at holde hullet i den tynde ende ind mod komponenterne, der mistænkes.

Keramiske kondensatorer, der udsættes for store dv/dt-udsving, viser sig ofte at være hørbart støjende – og de findes ofte i klemme- og dæmperkredsløb samt i udgangstrin. For at teste om de er støjkilden, kan de udskiftes med kondensatorer med alternative isolatorer som f.eks. metalfilm – eller seriemodstanden kan øges (figur 5). Hvis den akustiske støj reduceres, bør man overveje en permanent udskiftning af komponenten.

Figur 5: Kondensatoren i dæmperkredsløbet kan udskiftes med en af metalfolietypen, eller en større modstand kan prøves. (Billedkilde: TRACO)

Det kan også hjælpe at skifte til zenerdioder i klemmekredsløb. Problematiske kondensatorer i outputtrin kan udskiftes med en anden isolator eller med parallelforbundne keramiske kondensatorer med tilsvarende værdi, hvis der er plads til det.

Hvis magnetiske komponenter er støjkilden, skal du først sikre dig, at indgangsspændingen og udgangsbelastningen altid er inden for det specificerede område. En forøgelse af kapacitansen på inputsiden kan hjælpe, hvis indgangsspændingen nogle gange falder til et for lavt niveau. Dyplakering af transformatorer og dyplakerede og indstøbte induktorer er metoder til at reducere støjen. Transformatorer med lang kernelængde har også en tendens til at give større genlyd end med dem med kort kernelængde. Overvej om muligt at skifte til et alternativ med kortere kerne, der stadig kan rumme det nødvendige antal omviklinger.

Man skal huske på, at gentagelse af verifikations- og produktionstest vil være meget sandsynligt for alle de tiltag, der er fremhævet.

Sammenfatning

Både krafteffekten af strømførende ledere i magnetfelter og kondensatorernes omvendte piezo-effekt er de primære årsager til de akustiske lyde, der udsendes af strømforsyningsenheder. På trods af fremskridt inden for simulering afsløres akustisk støj først, når et design er blevet fysisk bygget – og nogle gange først når et større antal strømforsyninger er blevet klargjort til forproduktion.

Selvom størstedelen af hørbar støj i strømforsyninger ikke bør give anledning til bekymring ud fra et funktions- eller sikkerhedsmæssigt synspunkt, kan det være irriterende, og kunderne kan endda tolke støjen som et tegn på dårlig kvalitet. Ved at følge nogle af de enkle tip i denne artikel kan komponenter, der fungerer som støjkilder, hurtigt identificeres – og udskiftes, fastgøres eller ændres ved hjælp af de foreslåede metoder – for at minimere eller fjerne den støj, der genereres.