В этой статье рассмотрены причины нежелательного акустического шума (свист, писк, треск и подобные звуки), издаваемого электронными устройствами, и способы его устранения. За рамками останутся звуки, связанные с электрическими разрядами, двигателями и другими электромеханическими компонентами, а также звуки, имеющие неэлектрическую природу, например, связанные с тепловым расширением (треск при нагреве или остывании прибора).

Чтобы электронное устройство издавало акустический шум, нужны три составляющие:

• электрический сигнал, в спектре которого есть звуковые частоты,
• преобразователь этого сигнала в механическое возбуждение (вибрацию),
• диффузор, механически связанный с преобразователем и порождающий слышимый звук при механическом возбуждении.

Источники сигнала

Переменный электрический сигнал, содержащий в своем спектре звуковые частоты, является первопричиной описанных нежелательных звуков. Нет сигнала — нет шума.

Источниками такого сигнала часто являются импульсные преобразователи напряжения, особенно при работе на холостом ходу. Колебания тока потребления нагрузки также могут содержать в своем спектре звуковые частоты.

Частота преобразования большинства современных DC-DC и AC-DC конвертеров значительно выше 20 кГц, но в некоторых случаях в спектре всё же могут появиться звуковые частоты. Если преобразователь использует частотно-импульсную модуляцию (Pulse Frequency Modulation, PFM), при малой нагрузке частота следования импульсов может спуститься в звуковой диапазон. В режиме Pulse Skip Mode (PSM) периодическое включение преобразователя может происходить со звуковой частотой, хотя сама частота PWM/PFM остаётся высокой.

Если отсутствие акустического шума при малой нагрузке более приоритетно, чем КПД, имеет смысл выбирать конвертер без эко-режимов, использующий фиксированную (либо гарантированную минимальную) частоту преобразования вне слышимого диапазона. Также существуют режимы управления, оптимизированные с учётом акустического шума, такие, как Out-Of-Audio от Texas Instruments. Поскольку величина шума (как акустического, так и электромагнитного) связана с амплитудой переменного сигнала (ripple current / ripple voltage), импульсные преобразователи в режиме Discontinuous Conduction Mode (DCM) обычно шумят сильнее, чем в Continuous Conduction Mode (CCM).

Преобразование сигнала в вибрацию

Механическое возбуждение может возникать из-за способности некоторых материалов менять свои геометрические размеры под воздействием электрического или магнитного поля (обратный пьезоэффект, магнитострикция), или как результат действия макроскопических сил электромагнитного взаимодействия. Обычно преобразование из электрического сигнала в механическое возбуждение обратимо: если что-то может двигаться под воздействием электрического сигнала, оно также может порождать электрический сигнал при механическом возбуждении (“микрофонный эффект“).

Керамические конденсаторы

Все керамические конденсаторы, кроме NP0/C0G, изготавливают из керамики, обладающей выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Такие конденсаторы могут вибрировать под воздействием переменного напряжения.

Поверхностный монтаж создаёт жёсткую механическую связь терминалов конденсатора и печатной платы, что позволяет эффективно передавать ей собственную вибрацию. Для уменьшения этой связи некоторые производители предлагают серии конденсаторов для поверхностного монтажа с интерпозерами (Interposer Termination) и металлическими выводами (Metal Terminal Type, Metal Frame, J-Lead).

В формате Metal Frame также изготавливают сборки из нескольких отдельных корпусов (Stacked MLCC), что позволяет повысить величину ёмкости на единицу площади печатной платы.

Такая конструкция, помимо снижения акустического шума, гораздо меньше страдает от повреждений из-за деформации печатной платы (strain MLCC crack, flex crack), что позволяет использовать крупные корпуса без потери надёжности. Другая реализация схожей идеи — керамические чип-конденсаторы, корпусированные в выводной THT-корпус (Leaded MLCC).

Индуктивности и трансформаторы

Катушки индуктивности и трансформаторы могут порождать вибрации по нескольким причинам, среди которых нужно выделить макроскопические силы электромагнитного взаимодействия.

В магнитно-экранированных катушках магнитный поток сосредоточен в сердечнике, и его воздействие на проводник мало. Но, если сердечник такой катушки состоит из нескольких деталей, они могут вибрировать под воздействием сил магнитного притяжения, изменяющихся вместе с током через катушку.

В отсутствие экранирования магнитный поток в области проводника значительно выше, поэтому витки катушки могут вибрировать под воздействием сил Лоренца.

Шум, связанный со взаимным смещением элементов катушки индуктивности, устраняется их жёсткой фиксацией друг относительно друга, и полностью отсутствует в катушках с монолитной конструкцией. К ним относятся так называемые molded inductors, изготавливаемые прессованием/спеканием феррита вокруг проводника, а также все катушки, залитые компаундом (resin-filled, epoxy-filled и т. п).

В некоторых случаях вибрация в катушках индуктивности и трансформаторах может быть следствием магнитострикции, свойства материала сердечника менять геометрические размеры под воздействием магнитного поля, но вклад этого эффекта обычно незначителен.

Вибрация и слышимый звук

Чтобы перевести вибрацию малой амплитуды в слышимый звук, нужен диффузор, в роли которого обычно выступает печатная плата. Эффективность преобразования вибрации в звук описывается механическим частотным откликом платы, установленной в корпус, или, в более общих терминах, её передаточной функцией. Расположение источника возбуждения также влияет на итоговую амплитуду колебаний. Если частоты возбуждения пересекаются с собственными (резонансными) частотами платы, амплитуда её колебаний, и, соответственно, громкость звука, могут значительно вырасти.

Собственные частоты печатной платы главным образом определяются её габаритами, способом монтажа в корпусе, механическими свойствами диэлектрика и распределением массы установленных компонентов. Чем меньше размер платы, и чем более жёстко она закреплена, тем выше её резонансные частоты.

Основные методы подавления шумов на этом этапе включают демпфирование платы, то есть введение элементов, поглощающих механическую энергию колебаний, и увеличение количества точек крепления, что сдвигает вверх собственные частоты и уменьшает возможную амплитуду её колебаний в каждой точке.

Практический пример

Я купил новый роутер Mikrotik hAP ax² (C52iG-5HaxD2HaxD-TC), и он издавал звуки: свист, треск, щелчки — достаточно громкие, чтобы заставить меня это исправить и написать статью.

Поиск источника шума начинается с извлечения печатной платы из корпуса и снятия радиатора. Затем подаём питание и нагружаем сетевые интерфейсы, чтобы звуки стали более выраженными. Чтобы найти конкретный источник, тыкаем пластиковой палочкой (зондом) во все подозрительные компоненты, в первую очередь — силовые катушки индуктивности и керамические конденсаторы вокруг DC-DC, и прислушиваемся к изменениям звука. Прикосновение к центральной части сердечника катушки индуктивности на фотографии однозначно указывает на виновника.

Эта катушка индуктивности не монолитна; её сердечник состоит из двух деталей, и центральная часть может вибрировать под воздействием сил магнитного притяжения. Наиболее простое решение, не считая замены катушки — залить её клеем прямо на плате, чтобы жёстко соединить ферритовые детали сердечника между собой. После отверждения клея звуки становятся едва слышными, что подтверждает изначальную гипотезу.

Further reading

• TDK: Measures Against Acoustic Noise in Power Inductors
• MPS: Eliminate Audible Noise (вебинар)
• MPS: DC Power Supply Noise Reduction and Measurement
• TI: How to Reduce Acoustic Noise of MLCCs in Power Applications
• TI: Understanding Out-of-Audio operation
• TI: Stress-induced outbursts in ceramic capacitors (Part 1, Part 2)
• TDK: Singing Capacitors (Piezoelectric Effect)
• TRACO: Suppressing Acoustic Noise in Switched-Mode Power Supplies
• NIC Components: Piezoelectric Noise: MLCC Ringing ‐ Singing
• Wikipedia: Electromagnetically induced acoustic noise