Onderdrukking van akoestische ruis in geschakelde voedingsmodules

Tijdens het rijden in een auto ervaren we het motorgeluid dat we horen als iets heel normaals. In het motorcompartiment zit immers een machine met bewegende onderdelen. Sommigen omschrijven dit geluid zelfs als bijzonder aangenaam. Sterker nog: bij fabrikanten van auto’s en andere producten houden zelfs complete onderzoeksafdelingen zich bezig met het sleutelen aan – en het creëren van – een aangename geluidservaring.

Bij geschakelde voedingsmodules (SMPS, Switched-Mode Power Supplies) is de situatie echter volledig anders. Bij deze producten kunnen geluiden zoals zoemen of janken kunnen zelfs geïnterpreteerd worden als een waarschuwingssignaal. Hoewel voedingsmodules bestaan uit een groot aantal elektronische componenten, mag er tijdens de werking niets bewegen. Daarom zou er in principe toch ook geen geluid te horen moeten zijn, nietwaar?

De meest voorkomende oorzaak van storende ruis bij AC-voedingsmodules resulteerde voorheen meestal in een laagfrequent gebrom van 100 of 120 Hz. Voedingsmodules zijn steeds complexer en gestructureerder geworden, terwijl ook het bereik van de uitgezonden geluidsgolven is veranderd. De meeste geluiden die duidelijk te horen zijn, vormen normaal gesproken echter geen reden tot bezorgdheid.

Perceptie & effect

Mensen nemen geluidsgolven waar in het frequentiebereik van 16 Hz tot ongeveer 20 kHz. Of dit geluid echter afleiding of irritatie veroorzaakt, hangt ook af van de perceptie van dat geluid in de omgeving waarin het wordt geproduceerd.

Hoorbaar frequentiebereik van het menselijk oor

Een industriële voedingsmodule die hoorbaar geluid produceert, vormt waarschijnlijk geen écht probleem voor mensen. De meeste mensen in de omgeving zullen dit geluid ervaren in de context van andere achtergrondgeluiden, als een normaal onderdeel van het werken in de fabriek. Andere geluiden kunnen dankzij hun frequentie en volume ook de frequenties maskeren die een voedingsmodule genereert. In de psycho-akoestiek wordt dit effect bestudeerd en dit wordt gebruikt bij het comprimeren van audio in *.mp3-bestanden. Dergelijke voedingsmodules zijn normaliter ingebouwd in bedieningspanelen met gesloten deuren die ook helpen om hoorbaar geluid te dempen.

In een andere omgeving, zoals op een kantoor, zal de reactie op ruis van een voedingsmodule aanzienlijk anders zijn. Een jankend of zoemend elektrisch apparaat wordt waarschijnlijk als onaangenaam ervaren en kan zelfs de vraag oproepen of het apparaat nog wel veilig werkt.

Oorzaken & achtergrond

De magnetische velden

Als een stroomvoerende geleider zich in een magnetisch veld bevindt, dan wordt er meestal kracht op uitgeoefend. De uitwerking van deze kracht is het grootst wanneer de stroomrichting en de richting van het magnetische veld een hoek van 90° vormen. In dergelijke gevallen staat de inwerkende kracht loodrecht op de stroom en de richting van het magnetische veld. Met drie vingers van de rechterhand is het mogelijk om de richting van deze kracht te bepalen aan de hand van de rechterhandregel van Fleming.

Binnen de context van transformatoren en sommige spoelen kan een ijzeren kern ook last hebben van een effect dat bekend staat als magnetostrictie. James Joule identificeerde dit effect voor het eerst in 1842. Magnetostrictie doet ferromagnetische materialen van vorm of afmeting veranderen tijdens het magnetisatieproces. Dit proces treedt op wanneer er stroom door de geleider van de component loopt. Deze kleine veranderingen in het materiaalvolume leiden niet alleen tot wrijvingswarmte, maar ook vaak tot een hoorbaar geluid.

In transformatoren wordt vaak Fe-Si staal (bekend als siliciumstaal) gebruikt met een variërend siliciumgehalte. Deze eigenschap helpt om de elektrische weerstand van het ijzer te verhogen. 6% siliciumstaal biedt de optimale vermindering van magnetostrictie, maar daar staat een verhoogde brosheid tegenover.

Het Piëzo-effect

Een andere oorzaak van lawaai is het Piëzo-effect. Het woord ‘Piëzo’ is afgeleid van het Griekse woord voor druk. In 1880 ontdekten Jacques en Pierre Curie dat druk in verschillende kristallen, zoals kwarts, elektrische lading genereerden. Zij noemden dit fenomeen het ‘Piëzo-effect’. Later merkten ze dat elektrische velden Piëzo-elektrische materialen kunnen vervormen. Dit effect staat bekend als het ‘omgekeerde Piëzo-effect’.

Het omgekeerde Piëzo-elektrische effect veroorzaakt een lengteverandering in deze materialen bij toepassing van elektrische spanning. Dit actuatoreffect zet elektrische energie om in mechanische energie. Veranderingen in de spanning veranderen ook de geometrische massa van keramische condensatoren, waardoor deze zich als het ware gedragen als kleine luidsprekers die drukgolven in de omgeving uitzenden.

Omschakeling van topologieën en feedbacklussen

Het streven naar een steeds efficiëntere stroomconversie betekent dat zelfs in de eenvoudigste voedingsproducten schakeltopologieën worden geïntegreerd. De primaire schakelfrequentie die in dergelijke ontwerpen wordt gekozen, ligt vaak boven de grens van de menselijke waarneming (>20 kHz). Bij schakeloplossingen die afhankelijk zijn van een wijziging in hun schakelfrequentie ter aanpassing aan veranderende belasting en ingangsspanning, kan dit echter binnen het hoorbare bereik vallen om een optimale conversie-efficiëntie te behouden.

Functies als ‘cycle skipping’ of burst-moduswerking kunnen bij oplossingen met een vaste frequentie leiden tot een schakelpatroon dat binnen het hoorbare bereik valt, ondanks dat de schakelfrequentie zelf wel degelijk boven 20 kHz ligt. Als de oplossing regelmatige schakelpulsen vertoont die onregelmatig worden onderbroken door perioden van twee of meer overgeslagen pulsen, dan duidt dit mogelijk op problemen met het feedbackcircuit (afbeelding 4). In dat geval is het de moeite waard om de componenten van het feedbackcircuit en het werkingsgebied van optocouplers te bekijken.

Hoorbare geluidsproblemen vaststellen en verhelpen

SMPS worden steeds compacter door naar steeds hogere vermogensdichtheden. Door deze ontwikkelingen kan het een uitdaging zijn om te bepalen welk onderdeel nu precies het hoorbare geluid veroorzaakt. Vanuit de aanname dat het ontwerp elektrisch gezien correct werkt, kun je een niet-geleidend voorwerp – bijvoorbeeld een eetstokje – gebruiken om lichte druk uit te oefenen op individuele componenten op de printplaat terwijl het apparaat in werking is. Veranderingen in of afname van het geluid – met name bij belangrijkste ‘verdachte’ onderdelen, zoals keramische of magnetische onderdelen – vormen daarbij een goed uitgangspunt.

Als je geen veilig niet-geleidend voorwerp bij de hand hebt, dan kun je ook een rudimentaire oortrompet maken van een eenvoudig vel papier. Rol het vel papier op tot een kegel en richt de opening van het kleine uiteinde op de ‘verdachte’ onderdelen om de bronnen die het geluid veroorzaken te evalueren.

Keramische condensatoren met hoge dv/dt-schommelingen zijn hoorbaar lawaaierig en zijn vaak te vinden in klemmen- en snubbercircuits, maar ook in de eindtrappen. Om na te gaan of deze condensatoren het geluid veroorzaken, kun je deze vervangen door condensatoren met een ander diëlektricum – bijvoorbeeld metaalfilm. Ook kun je hun serieweerstand verhogen. Als het hoorbare geluid afneemt, dien je een permanente wijziging van het onderdeel te overwegen. Ook het veranderen van de klemcircuits om Zener-diodes te gebruiken, kan een oplossing blijken. Problematische eindtrapcondensatoren kun je vervangen door een ander diëlektricum of door parallelle keramische condensatoren van gelijke waarde – mits de ruimte dat toelaat.

Als magnetische componenten het geluid veroorzaken, dan dien je eerst na te gaan of de ingangsspanning en uitgangsbelasting altijd binnen het gespecificeerde bereik liggen. Het verhogen van de capaciteit aan de ingangszijde kan helpen als de ingangsspanning soms te veel daalt. Dompellakken van transformators en dompellak- en potinductors zijn één manier om ruis te verminderen. Transformators met een lange kernlengte hebben bovendien de neiging om beter hoorbaar te resoneren dan transformators met een korte kernlengte. Overweeg om waar mogelijk over te stappen op een alternatieve kortere kern die nog steeds geschikt het aantal noodzakelijke wikkelingen kan verwerken.

Houd ook rekening het feit dat het voor alle vermelde mogelijke benaderingen zeer waarschijnlijk is dat verificatie en productietests zullen worden herhaald.

Samenvatting

Zowel de inwerkende kracht van stroomvoerende geleiders in magnetische velden als het omgekeerde Piëzo-effect van condensatoren zijn in de eerste plaats verantwoordelijk voor de hoorbare geluiden die voedingsmodules uitzenden. Ondanks de vooruitgang op het gebied van simulatie is hoorbare ruis meestal pas waarneembaar als een ontwerp fysiek is gebouwd – en soms pas nadat een aantal voedingsmodules is voorbereid voor de pre-productie.

Hoewel de meeste hoorbare ruis in voedingsmodules weinig reden tot bezorgdheid zou moeten zijn qua functionaliteit of veiligheid, kan het wel degelijk vervelend zijn. Klanten kunnen de hoorbare ruis zelfs als een kwaliteitsprobleem ervaren. Door enkele in dit artikel vermelde eenvoudige tips te volgen, zijn als geluidsbronnen fungerende onderdelen snel te identificeren. Aan de hand van de voorgestelde benaderingen, kun je de betreffende onderdelen vervangen, alternatieven aanbrengen of componenten wijzigen om de gegenereerde storende geluiden tot een minimum te beperken of uit te bannen.

Meer informatie via Yves Elsasser van Traco Electronic AG