背景

现代开关电源的设计要求由效率驱动，这不仅包括满载条件下的效率，还包含断开电缆连接时睡眠模式或空载条件下的效率。无论何种电源负载，电源系统集成商都必须满足能源之星、80 Plus以及欧盟委员会的CoC等新规范。

要满足这些要求，电源必须将开关频率降至20kHz以下，有时甚至低至几kHz。由于人耳可以听到低于20kHz的声音频率（而且在2kHz至5kHz之间最敏感），因此很难避免出现音频噪声。对于消费者应用而言尤其如此，例如所有客厅中都有电话或笔记本电脑充电器，或者LED驱动器，如果产生噪声，那将是非常烦扰的事情。

电源噪声的起因

对音频噪声最敏感的电源组件通常是MLC陶瓷电容器、电感器或变压器。电感器和变压器等磁性组件在一定频率下会受高压脉冲应力的影响，导致物理效应，例如线圈上的反向压电效应或铁芯上的磁致伸缩。

反向压电效应和磁致伸缩是将施加的电能转换为机械力的作用机制。这种机械力使线圈或铁芯振动，从而使其周围的空气移位并表现为声波。由于这些振动会在谐振频率上被放大多倍，因此说到底，我们要设法解决的是这些电源组件产生的机械自谐振频率（SRF）。

首先，我们需要测量机械SRF以查看其是否在音频噪声范围内。如果是，则找出谐振的来源。最后，在设计阶段选择合适的电气参数以限制开关频率的范围。通过避免机械SRF，从而较轻松地降低噪声。

机械自谐振

机械自谐振现象已经有模型可以识别，并已定义了可用的控件。其中，胡克定律是较为特殊的一种模型。图1显示了弹簧质量系统的方程式。该系统类似于电感器的螺旋线圈以及焊接了磁性组件的PCB组件的质量。

如上图所示，红球的质量（m）与PCB组件的质量相同。位移（x）由反向压电效应或磁致伸缩力引起。施加的力与PCB板重量之间的关系可以用一个二阶微分方程来完美表述（见图2）。

因此，该质量弹簧系统的谐振频率可以用公式（1）来计算：

其中k是弹簧的刚度常数，m是质量。

实验装置

在实验中，我们采用MPS的MP174A作为电源变换器，MP174A是一款频率可调的恒定峰值电流调节器。使用该器件，开关频率会随着负载电流和输出功率的变化而成比例地变化，从而保持稳定的调节。

图3显示的实验室装置可用于测量鼓芯电感器产生的音频噪声，并找到其机械自谐振频率（SRF）。频谱分析仪应用程序和手机上的麦克风则用于测量声音。手机始终放置在距电感器5厘米处。改变变换器上的负载电流以扫描不同的开关频率，然后通过电话测量产生的声音。

示波器可以在不同的负载电流下测量开关频率，这样，就可以在每种负载电流下测量声音。示波器波形与在每个负载电流下用手机测得的频率峰值相匹配。负载电流可在10％至80％之间变化。高于满载80％不做测量，因为其开关频率已超出了可闻范围（> 20kHz）。 

图4显示了在其中一种负载电流下捕获的波形。13.16kHz的频率与该应用程序产生的频谱相匹配，该应用程序捕获到了鼓芯电感器在13.242kHz频率下的声音峰值。

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