Dämpning av missljud i SMPS (Switched-Mode Power Supplies)

När vi åker bil upplever vi motorljudet som något helt normalt. Det är ju inte så konstigt med tanke på att motorn med alla dess rörliga delar finns i motorrummet. Det finns till och med de som tycker om det ljudet. Det är faktiskt så att biltillverkare och tillverkare av andra produkter har hela forskningsavdelningar som jobbar med att ta fram njutbara ljudupplevelser.

Med SMPS:er (Switched-Mode Power Supplies) är det emellertid lite annorlunda. Ljud som surr eller vinanden kan till och med tolkas som varningssignaler. Även om strömförsörjningar består av många olika elektronikkomponenter är det ingenting som rör sig i dem när de är i drift. Det bör ju betyda att de inte avger ljud.

Den vanligaste formen av störande ljud från nätaggregat är normalt sett ett lågfrekvent surr på 100 eller 120 Hz. Ändrad komplexitet och struktur för strömförsörjningar har lett till att den typ av ljudvågor som avges från dem också ändrats. De flesta ljud som hörs är emellertid inget att oroa sig över.

Perception och påverkan

Det mänskliga örat kan höra ljudvågor i frekvensområdet 16 Hz till 20 kHz (figur 1). Huruvida ett ljud stör eller irriterar beror också på uppfattningen av ljudet i den miljö där det genereras.

Figur 1: Hörbart frekvensområde för det mänskliga örat. (Bildkälla: TRACO)

En industriell strömförsörjningsenhet som genererar hörbart missljud är antagligen inget egentligt problem för människor, eftersom de flesta i dess närhet upplever det tillsammans med annat bakgrundsljud som är normalt i den miljön. Andra ljud kan tack vare frekvens och volym också maskera de frekvenser som genereras av en strömförsörjning, en effekt som har studerats inom psykoakustiken och som används vid ljudkomprimering med MP3-teknik. Sådana strömförsörjningar är vanligtvis inbyggda i kontrollpaneler med stängda luckor, vilket också bidrar till att dämpa eventuellt ljud som genereras.

I andra miljöer – som till exempel kontor – kan upplevelsen av strömförsörjningens brus vara en helt annan. Missljud eller surrande ljud från en elektrisk enhet upplevs ofta som störande och kan till och med få användare att ifrågasätta enhetens säkerhet.

Orsaker och bakgrund

Magnetfälten

En strömbärande ledare i ett magnetfält utsätts generellt för en kraft. Påverkan från denna kraft är som störst när strömmens och magnetfältets fältriktningar bildar en 90°-vinkel. I sådana fall är den påverkande kraften vertikal mot strömflödet och magnetriktningen. Du kan med tre fingrar på höger hand enkelt fastställa riktningen för denna kraft med hjälp av högerhandsregeln (figur 2).

Figur 2: Höger-/vänsterhandsregeln. (Bildkälla: TRACO)

Vad gäller transformatorer och vissa induktorer kan en järnkärna också utsättas för en effekt som kallas magnetostriktion, en effekt som identifierades för första gången av James Joule 1842. Denna effekt får ferromagnetiska material att ändra form eller dimension i samband med den magnetisering som uppstår när strömmen flödar genom komponentens ledare. Dessa små förändringar i materialets volym genererar friktionsvärme men leder också ofta till att brus uppstår.

I transformatorer används ofta kiseljärn (kallat magnetstål) med varierande kiselmängd, som bidrar till att öka järnets elektriska resistivitet. Stål med 6 % kisel ger optimal reduktion av magnetostriktionen, men har den nackdelen att sprödheten ökar.

Piezoeffekten

En annan orsak till ljud är piezoeffekten. Ordet piezo kommer från det grekiska ordet för tryck. 1880 upptäckte Jacques och Pierre Curie att tryck i olika kristaller som kvarts genererar elektrisk laddning. De kallade det här fenomenet piezoeffekt (figur 3). Senare upptäckte de att elektriska fält kan deformera piezoelektriska material. Denna effekt är känd som den omvända piezoeffekten.

Figur 3: Piezoeffekt i material som kvarts. (Bildkälla: TRACO)

Den omvända piezoelektriska effekten orsakar längdförändring i dessa material när elektrisk spänning appliceras. Denna ställdonseffekt omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi. Spänningsvariationer ändrar också den geometriska massan för keramiska kondensatorer, vilket gör att dessa fungerar som små högtalare som avger tryckvågor.

Switchningstopologier och återkopplingskretsar

Utvecklingen mot allt mer effektiv effektomvandling leder till att switchningstopologier integreras även i de enklaste strömförsörjningsprodukter. Primär switchfrekvens som väljs för denna typ av design väljs ofta så att den ligger högre än vad det mänskliga örat kan uppfatta (> 20 kHz). I switchningslösningar som bygger på korrigering av switchfrekvens för att anpassa sig efter laständringar och ändringar i inkommande spänning, kan detta emellertid sjunka till hörbart område för att man ska behålla optimal effektivitet i konversationer.

I lösningar med fast frekvens kan funktioner som cykelöverhoppning eller burstläge leda till ett switchningsmönster i det hörbara området, trots att switchfrekvensen ligger över 20 kHz. Om lösningen visar regelbundna switchningspulser oregelbundet uppbrutna av perioder med två eller flera överhoppade pulser, kan detta vara en indikation på problem med återkopplingskretsen (figur 4). Här är det väl värt att granska återkopplingskretsens kretskomponenter samt driftområdet för eventuella optokopplare.

Figur 4: Problem i återkopplingskretsen kan leda till oregelbundna perioder utan pulser (nedre graf) i switchningsdesign med fast frekvens. (Bildkälla: TRACO)

Fastställa och åtgärda problem med hörbart ljud

I och med att SMPS blir allt mer kompakta i jakten på högre effekttäthet, kan det vara utmanande att fastställa vilken komponent som är källan till eventuellt missljud. Om vi antar att designen fungerar korrekt i elektriskt avseende kan ett tillvägagångssätt vara att använda föremål som inte är elektriskt ledande (till exempel matpinne eller blompinne av trä) och applicera lätt tryck på kretskortets individuella komponenter när enheten är i drift. Ändringar eller minskningar i ljudnivå (särskilt för misstänkta komponenter som keramiska eller magnetiska enheter) kan vara en lämplig utgångspunkt.

Om du inte har något lämpligt föremål som inte är elektriskt ledande till hands, kan du rulla ihop papper till en strut och använda den för att lyssna med. Sätt den öppna änden mot örat och rikta den spetsiga sidan mot den komponent som du misstänker kan avge ljud.

Keramiska kondensatorer som utsätts för stora förändringar i spänningens stigtid (dv/dt) avger ofta ljud och tenderar att förekomma i låsningskretsar, snubberkretsar och utgångssteg. För att testa om det är dessa som är källan till ljudet kan du antingen ersätta dem med kondensatorer med ett alternativt dielektrikum, såsom metallfilm, eller öka seriemotståndet (figur 5). Om ljudnivån minskar bör det övervägas om komponenten ska bytas ut permanent.

Figur 5: Kondensatorn i en snubberkrets kan ersättas med en kondensator med metallfilm, eller så kan ett större motstånd prövas. (Bildkälla: TRACO)

Det kan också hjälpa att ersätta låsningskretsar med Zener-dioder. Kondensatorer i utgångssteget som orsakar problem kan ersättas med kondensatorer med annat dielektrikum eller parallella keramiska kondensatorer med samma värde (om sådana får plats).

Om det är magnetiska komponenter som är ljudkällan säkerställer du först att inkommande spänning och utgående last är inom specificerat intervall. En ökning av kapacitansen på ingångssidan kan hjälpa om den inkommande spänningen faller för mycket. Dopplackering av transformatorer och dopplackerade och ingjutna induktorer kan vara ett sätt att minska ljudnivån. Transformatorer med långa kärnor tenderar att ge högre resonans är transformatorer med kort kärna. Överväg om möjligt att byta till en kortare kärna (denna måste ha plats för nödvändigt antal lindningar).

Ha i åtanke att för alla de metoder som vi har tagit upp, kommer upprepad verifiering och produktionstestning att bli högst sannolikt.

Sammanfattning

Både den kraft som strömbärande ledare i magnetfält utsätts för och kondensatorers omvända piezoeffekt är primära orsaker när det gäller ljud från strömförsörjningsenheter. Trots framsteg inom simuleringsteknik visar sig problem med ljud endast när konstruktionen är färdigtillverkad och ibland endast när strömförsörjningar har förberetts för förproduktion.

Även om merparten av det missljud som förekommer i strömförsörjningar sannolikt inte påverkar funktionen eller säkerheten, kan kunder uppleva det störande och till och med som ett kvalitetsproblem. Genom att följa några av de enkla tips som vi har presenterat i den här artikeln kan du snabbt identifiera komponenter som är en källa till missljud. Därefter kan du genom att följa de rekommenderade metoderna bytas ut, fixeras eller modifieras för att minimera missljudet de genererar.