스위치 모드 전원 공급 장치에서의 음향 잡음 억제

차 안에 있을 때 어느 정도의 엔진 잡음이 발생하는 것은 지극히 정상적입니다. 엔진칸에는 움직이는 부품이 들어 있는 기계가 포함되어 있습니다. 사람에 따라 이러한 잡음을 좋아할 수도 있습니다. 실제로 자동차 및 기타 제품 제조업체에서는 이러한 잡음이 경쾌하게 들리는 환경을 구축하기 위해 전담 연구 부서를 두고 있습니다.

하지만 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)에서는 상황이 다릅니다. 윙윙거리거나 징징거리는 소리와 같은 잡음은 경고 신호로 해석될 수 있습니다. 전원 공급 장치는 많은 전자 부품으로 구성되어 있지만 작동 중에 아무것도 움직이지 않아야 합니다. 따라서 잡음이 없어야 합니다.

AC 전원 공급 장치에서 교란 잡음이 발생하는 가장 일반적인 원인은 저주파 100Hz 또는 120Hz의 윙윙거리는 소리에 있습니다. 전원 공급 장치가 복잡도와 구조적 측면에서 진보하면서 장치에서 발생하는 음파의 범위도 변경되었습니다. 하지만 대부분의 가청 잡음은 염려할 필요가 없습니다.

인식 및 효과

인간은 16Hz ~ 약 20kHz 주파수 범위 이내의 음파를 들을 수 있습니다(그림 1). 그러나 주의를 산만하게 하거나 짜증을 일으키는지 여부는 소리가 발생하는 환경에서 해당 음에 대한 인식에 따라 달라집니다.

그림 1: 인간의 귀의 가청 주파수 범위 (이미지 출처: TRACO)

가청 잡음을 발생시키는 산업용 전원 공급 장치는 사람들에게 실제로 문제가 되지 않습니다. 공장에서 일하는 대부분의 사람들이 이러한 가청 잡음을 다른 배경 잡음의 맥락에서 정상적인 업무의 일환으로 받아들이기 때문입니다. 다른 잡음의 주파수와 볼륨으로 인해 전원 공급 장치에서 생성되는 주파수가 드러나지 않을 수도 있습니다. 이러한 효과는 음향 심리학에서 연구하고 있으며 MP3에서 오디오 압축에 사용됩니다. 이러한 공급 장치는 일반적으로 발생할 수 있는 가청 잡음을 줄이기 위해 도어가 닫힌 상태로 제어 패널에 내장되어 있습니다.

사무실과 같은 다른 환경에서는 전원 공급 장치 잡음에 대한 반응이 확연히 차이 납니다. 전기 장치의 징징거리거나 윙윙거리는 소리는 불쾌하게 들리며 안전에 대한 우려를 야기할 수 있습니다.

원인 및 배경

자기장

전류가 흐르는 컨덕터가 자기장 안에 있는 경우 일반적으로 힘이 작용합니다. 전류와 자기장의 방향이 90° 각도를 이룰 때 이 힘의 효과가 가장 큽니다. 이 경우 충격력은 전류의 흐름과 자기장의 방향에 수직입니다. 플레밍의 오른손 법칙을 사용하여 오른손의 세 손가락으로 이 힘의 방향을 결정할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 오른손/왼손 법칙 (이미지 출처: TRACO)

또한 변압기와 일부 인덕터의 맥락에서 강철 코어는 1842년에 James Joule이 처음으로 식별한 자기 변형 효과의 영향을 받을 수 있습니다. 부품의 컨덕터를 통해 흐르는 전류로 인해 자기화 공정 중에 강자성 소재의 모양 또는 크기가 변경됩니다. 이러한 작은 소재 볼륨 변경은 마찰열뿐 아니라 가청 잡음도 발생합니다.

변압기에서는 강철의 전기 저항성을 높여주는 다양한 실리콘이 함유된 철 규소 강철(실리콘 강철이라고도 함)을 종종 활용합니다. 6% 실리콘 강철은 자기 변형을 최적 수준으로 줄이지만 깨지기 쉬운 단점이 있습니다.

압전(piezo) 효과

잡음이 발생하는 다른 원인으로 압전 효과가 있습니다. 'piezo'라는 단어는 압력을 뜻하는 그리스어에서 파생되었습니다. 1880년에 Jacques 및 Pierre Curie는 다양한 수정(예: 석영)에 압력을 가하면 전하가 생성된다는 것을 확인하고, 이 현상을 '압전 효과'라고 했습니다(그림 3). 이후에 이들은 전기장이 압전 소재를 변형시킬 수 있다는 사실을 확인했습니다. 이 효과를 ‘역압전 효과'라고 합니다.

그림 3: 석영과 같은 소재에서 보여주는 압전 효과 (이미지 출처: TRACO)

역압전 효과는 이러한 소재에 전압을 적용하면 길이가 변경되는 것을 의미합니다. 이 액추에이터 효과는 전기 에너지를 기계 에너지로 전환합니다. 전압이 변경되면 세라믹 커패시터의 기하학적 질량도 변경되어 압력파를 주변으로 발산하는 소형 스피커처럼 작동합니다.

스위칭 토폴로지 및 피드백 루프

더 효과적인 전력 변환을 추진하는 추세는 가장 간단한 전원 공급 장치에도 스위칭 토폴로지가 통합되고 있다는 것을 의미합니다. 그런 설계에서 선택된 1차 스위칭 주파수가 인간의 인식 한계(>20 kHz)를 벗어나는 경우가 있습니다. 하지만 스위칭 주파수를 변경하여 변화하는 부하 및 입력 전압에 맞게 조정하는 스위칭 솔루션에서는 최적의 변환 효율을 유지하기 위해 이 주파수가 가청 범위 이내로 떨어질 수 있습니다.

고정 주파수 솔루션에서는 주기 건너뛰기, 버스트 모드 작동과 같은 기능으로 인해 20kHz를 초과하는 스위칭 주파수에도 불구하고 가장 범위 이내로 떨어지는 스위칭 패턴을 나타낼 수 있습니다. 두 개 이상의 건너뛴 펄스 기간으로 인해 솔루션에서 규칙 스위칭 펄스가 불규칙하게 분할되는 경우 피드백 회로 관련 문제를 나타낼 수 있습니다(그림 4). 이제 피드백 회로 부품과 광 커플러 작동 영역을 검토해 보겠습니다.

그림 4: 피드백 회로에 문제가 발생하면 고정 주파수 스위칭 설계에서 불규칙한 무펄스 기간(아래쪽 그래프)이 나타날 수 있습니다. (이미지 출처: TRACO)

가청 잡음 문제 확인 및 해결

더 높은 출력 밀도에 대한 요구로 SMPS가 점점 더 작아지는 추세에서 가청 잡음의 원인이 되는 부품을 정확히 결정하는 것은 어려움이 있습니다. 전기적 관점에서 설계가 올바르게 작동한다고 가정할 때 한 가지 방법은 장치가 작동하는 동안 비전도성 물체(예: 젓가락)를 사용하여 회로 기판의 개별 부품에 가벼운 압력을 가하는 것입니다. 특히, 세라믹, 자기 장치와 같은 주요 의심 부품에서 잡음이 변화하거나 감소한다면 좋은 시작점이 될 수 있습니다.

비전도성 프로빙 장치를 구할 수 없는 경우 종이 한 장으로 초보적인 나팔형 보청기를 만들 수 있습니다. 원뿔 모양으로 말아서 좁은 쪽 입구를 의심되는 부품을 향하게 하여 잡음 출처를 평가할 수 있습니다.

높은 dv/dt 스윙을 일으키는 세라믹 커패시터가 가청 잡음을 발생하고 클램프 및 스너버 회로와 출력 단계에서 발견되는 경향이 있습니다. 세라믹 커패시터가 잡음 출처인지 여부를 테스트하려면 해당 커패시터를 대체 유전체(예: 금속 필름)를 포함하는 커패시터로 교체하거나 계열 저항을 높일 수 있습니다(그림 5). 가청 잡음을 줄여야 하는 경우 부품의 영구적인 변화를 평가해야 합니다.

그림 5: 스너버 회로의 커패시터를 금속 필름 유형으로 교체하거나 더 큰 저항으로 시도할 수 있습니다. (이미지 출처: TRACO)

또한 제너 다이오드를 사용하도록 클램프 회로를 변경하면 도움이 될 수 있습니다. 문제가 있는 출력 단계 커패시터를 다른 유전체로 교체하거나 등가의 병렬 세라믹 커패시터로 바꿀 수 있습니다(공간이 허락되는 경우).

자기 부품이 잡음 출처인 경우 먼저 입력 전압과 출력 부하가 항상 지정된 범위 이내에 있는지 확인합니다. 가끔 입력 전압이 너무 낮게 떨어지는 경우 입력 측의 정전 용량을 높이면 도움이 될 수 있습니다. 변압기에 니스를 두껍게 칠하거나 인덕터에 니스를 두껍게 칠한 후 용기에 넣는 것도 잡음을 줄이는 한 가지 방법입니다. 또한 코어 길이가 긴 변압기는 코어 길이가 짧은 변압기보다 더 큰 공명음을 발생하는 경향이 있습니다. 가능하면 필요한 개수의 권선을 수용할 수 있는 더 짧은 대체 코어로 변경하는 것이 좋습니다.

강조 표시된 모든 가능한 접근 방식에 대해 확인 및 생산 테스트를 반복할수록 가능성이 높아진다는 사실을 명심해야 합니다.

요약

자기장에서 전류가 흐르는 컨덕터의 충격력과 커패시터의 역압전 효과는 모두 전원 공급 장치에서 발생하는 가청 잡음의 주요 원인입니다. 시뮬레이션의 발전에도 불구하고 설계를 물리적으로 작성한 경우는 물론이고 사전 제작을 위해 많은 전원 공급 장치를 준비한 경우에도 일반적으로 가청 잡음이 뚜렷이 들립니다.

전원 공급 장치에서 대부분의 가청 잡음은 기능 또는 안전의 관점에서 큰 문제가 되지 않지만 고객이 불편해 하거나 품질 문제로 간주할 수 있습니다. 여기에 제공된 몇 가지 간단한 팁에 따라 잡음을 일으키는 출처 부품을 빠르게 식별한 후 제안된 방식에 따라 해당 부품을 교체, 수정 또는 변경하여 발생되는 잡음을 최소화하거나 제거하십시오.