功率電感器嘯叫原因

 

1. 間歇工作、頻率可變模式、負(fù)荷變動(dòng)等可能導(dǎo)致人耳可聽(tīng)頻率振動(dòng)

 

聲波是在空氣中傳播的彈性波，人的聽(tīng)覺(jué)可聽(tīng)到大約20～20kHz頻率范圍的"聲音"。在DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器中，當(dāng)流過(guò)人耳可聽(tīng)范圍頻率的交流電流以及脈沖波時(shí)，電感器主體會(huì)發(fā)生振動(dòng)，該現(xiàn)象稱為"線圈噪音"，有時(shí)也會(huì)被聽(tīng)成嘯叫現(xiàn)象(圖1)。

 

圖1：功率電感器嘯叫機(jī)制

 

隨著電子設(shè)備的功能不斷強(qiáng)化，DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器也成為了噪音發(fā)生源之一。DC-DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行ON/OFF，由此產(chǎn)生脈沖狀電流。通過(guò)控制ON的時(shí)間長(zhǎng)度(脈寬)，可得到電壓恒定的穩(wěn)定直流電流。該方式稱為PWM(脈沖調(diào)幅)，其作為DC-DC轉(zhuǎn)換器的主流方式獲得廣泛使用。

 

但DC-DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率較高，達(dá)到數(shù)100kHz～數(shù)MHz，由于該頻率振動(dòng)超出了人耳可聽(tīng)范圍，因此不會(huì)感受到噪音。那么，為什么DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器會(huì)發(fā)出"嘰"的嘯叫呢？

 

可能的原因有幾個(gè)，首先可能的是以節(jié)省電池電力等為目的，讓DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行間歇工作的情況，或?qū)C-DC轉(zhuǎn)換器從PWM方式切換為PFM(脈沖調(diào)頻)方式，在頻率可變模式下運(yùn)行的情況。圖2所示為PWM方式與PFM方式的基本原理。

 

圖2：PWM(脈沖調(diào)幅)方式與PFM(脈沖調(diào)頻)方式

 

2. PWM調(diào)光等DC-DC轉(zhuǎn)換器間歇工作導(dǎo)致的嘯叫

 

出于節(jié)能等目的，移動(dòng)設(shè)備液晶顯示器背光自動(dòng)調(diào)光功能等引進(jìn)了DC-DC轉(zhuǎn)換器間歇工作。這是根據(jù)使用環(huán)境照度，對(duì)背光亮度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光，從而延長(zhǎng)電池使用時(shí)間的系統(tǒng)。

 

該調(diào)光有多種方式，其中，控制LED亮燈時(shí)間及熄燈時(shí)間長(zhǎng)度的方式稱為PWM調(diào)光。PWM方式調(diào)光系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，調(diào)光引起的色度變化較少，其主要用于筆記本電腦以及平板電腦等的背光中。

 

PWM調(diào)光通過(guò)200Hz左右的較低頻率使DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行間歇工作，并通過(guò)反復(fù)進(jìn)行亮燈/熄滅操作來(lái)調(diào)整亮度。在亮燈/熄滅的恒定循環(huán)中，調(diào)長(zhǎng)亮燈時(shí)間時(shí)將會(huì)變亮，調(diào)短時(shí)則會(huì)變暗。在200Hz左右的間歇工作中，眼睛基本上不會(huì)察覺(jué)背光頻閃情況。但由于其處于人耳可聽(tīng)頻率中，因此當(dāng)基板上貼裝的功率電感器中流過(guò)間歇工作的電流時(shí)，電感器主體將會(huì)因頻率影響而發(fā)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)嘯叫。

注釋：占空比

DC-DC轉(zhuǎn)換器中，相對(duì)于開(kāi)關(guān)周期(開(kāi)關(guān)器件的ON時(shí)間+OFF時(shí)間)的ON時(shí)間比稱為占空比。對(duì)LED進(jìn)行PWM調(diào)光時(shí)，亮燈時(shí)間/(亮燈時(shí)間＋熄燈時(shí)間)稱為占空比，并表示亮度。

 

3. 頻率可變模式DC-DC轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致的嘯叫

 

PWM方式DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)在于，在普通工作中，其效率可高達(dá)大約80~90%以上。但待機(jī)時(shí)間等輕負(fù)荷情況下，效率將會(huì)嚴(yán)重降低。開(kāi)關(guān)造成的損耗與頻率成正比。為此，在輕負(fù)荷情況下會(huì)發(fā)生恒定開(kāi)關(guān)損耗，因此會(huì)使效率降低。

 

因此，為了改善該問(wèn)題，在輕負(fù)荷情況下使用自動(dòng)將PWM方式替換為PFM(脈沖調(diào)頻)方式的DC-DC轉(zhuǎn)換器。PFM方式是配合負(fù)荷減輕，在固定ON時(shí)間的情況下，對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行控制的方式。由于ON時(shí)間恒定，因此通過(guò)延長(zhǎng)OFF時(shí)間，開(kāi)關(guān)頻率將會(huì)漸漸降低。由于開(kāi)關(guān)損耗與頻率成正比，因此通過(guò)降低頻率可在輕負(fù)荷情況下實(shí)現(xiàn)高效化。但降低后的頻率將會(huì)進(jìn)入人耳可聽(tīng)的約20~20kHz的范圍，此時(shí)功率電感器將會(huì)發(fā)生嘯叫。

 

4. 負(fù)荷導(dǎo)致的嘯叫

 

出于節(jié)省電池電力的目的，筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備中運(yùn)用有各類省電技術(shù)，為此可能會(huì)導(dǎo)致電感器發(fā)生嘯叫。例如，出于兼顧低耗電量以及處理能力的目的，筆記本電腦CPU中帶有周期性變更消耗電流的模式，當(dāng)該周期處于人耳可聽(tīng)頻率范圍時(shí)，功率電感器可能會(huì)因該影響而產(chǎn)生嘯叫。

 

注釋：DC-DC轉(zhuǎn)換器中功率電感器的作用

 

電感器可使直流電流順利流過(guò)，而對(duì)于交流電流等發(fā)生變化的電流，則通過(guò)自感應(yīng)作用，朝阻止發(fā)生變化的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，發(fā)揮電阻的作用。此時(shí)，電感器將電能轉(zhuǎn)換為磁能，將其積攢起來(lái)，并在轉(zhuǎn)換成電能后將其放出。該能量的大小與電感器電感值成正比。

 

功率電感器也被稱為功率線圈、功率扼流圈，是用于DC-DC轉(zhuǎn)換器等開(kāi)關(guān)方式電源電路中的主要元件，通過(guò)與電容器進(jìn)行協(xié)調(diào)，使開(kāi)關(guān)器件ON/OFF所產(chǎn)生的高頻脈沖更為平滑化。

 

由于電源電路的功率電感器中會(huì)流過(guò)大電流，因此繞組型為主流產(chǎn)品。這是因?yàn)?，通過(guò)將高導(dǎo)磁率的磁性體（鐵氧體或軟磁性金屬）用于磁芯中，以較少巻數(shù)實(shí)現(xiàn)高電感值，從而可使產(chǎn)品更為小型化。圖3所示為使用功率電感器的DC-DC轉(zhuǎn)換器(非絕緣型及斬波方式)基本電路。
 

 

 

圖3：DC-DC轉(zhuǎn)換器(非絕緣型及斬波方式)基本電路

 

功率電感器主體振動(dòng)以及噪音擴(kuò)大的機(jī)制

 

當(dāng)流過(guò)人耳可聽(tīng)范圍頻率的電流時(shí)，功率電感器主體發(fā)生的振動(dòng)會(huì)引起嘯叫。其振動(dòng)原因以及噪音原因有以下幾種可能。

 

振動(dòng)原因

 

    ?磁性體磁芯磁致伸縮（磁應(yīng)變）作用

    ?磁性體磁芯磁化導(dǎo)致相互吸引

    ?漏磁通導(dǎo)致繞組振動(dòng)

 

噪音放大原因

 

    ?與其他元件接觸

    ?漏磁通導(dǎo)致對(duì)周邊磁性體產(chǎn)生作用

    ?與包括基板在內(nèi)的組件整體固有振動(dòng)數(shù)一致

 

導(dǎo)致產(chǎn)生功率電感器嘯叫的振動(dòng)原因以及噪音擴(kuò)大原因如圖4進(jìn)行了總結(jié)。以下對(duì)這些原因的主要內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。

 

圖4：導(dǎo)致產(chǎn)生功率電感器嘯叫的振動(dòng)原因以及擴(kuò)大原因

 

產(chǎn)生振動(dòng)的各種原因與作用

 

振動(dòng)原因?：磁性體磁芯磁致伸縮（磁應(yīng)變）

 

對(duì)磁性體施加磁場(chǎng)使其磁化后，其外形會(huì)發(fā)生細(xì)微變化。該現(xiàn)象稱為"磁致伸縮"或"磁應(yīng)變"。以鐵氧體等磁性體為磁芯的電感器中，繞組所產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)會(huì)使磁性體磁芯發(fā)生伸縮，有時(shí)會(huì)檢測(cè)到其振動(dòng)聲。

 

圖5：磁性體磁致伸縮（磁應(yīng)變）作用

 

磁性體是稱為磁疇的小范圍的集合體（圖5）。磁疇內(nèi)部的原子磁矩朝向相同，因此磁疇是一個(gè)自發(fā)磁化朝向恒定的微小磁鐵，但磁性體整體卻不會(huì)表現(xiàn)出磁鐵的特性。這是因?yàn)?，?gòu)成磁性體的多個(gè)磁疇，其排列使自發(fā)磁化相互抵消，因此從表面上來(lái)看處于消磁狀態(tài)。

 

從外部對(duì)處于該消磁狀態(tài)的磁性體施加磁場(chǎng)時(shí)，各個(gè)磁疇會(huì)將自發(fā)磁化朝向統(tǒng)一為外部磁場(chǎng)方向，因此磁疇范圍會(huì)逐漸發(fā)生變化。該現(xiàn)象由磁疇間邊界——磁壁的移動(dòng)所引起。由此，隨著磁化的進(jìn)行，處于優(yōu)勢(shì)的磁疇逐漸擴(kuò)大其范圍，最終成為單一磁疇，并朝向外部磁場(chǎng)方向（飽和磁化狀態(tài)）。該磁化過(guò)程中，在原子水平下會(huì)發(fā)生微小的位置變化，而在宏觀水平下，則會(huì)表現(xiàn)為磁致伸縮，即磁性體的外形變化。

 

磁致伸縮導(dǎo)致的外形變化極其微小，約為原尺寸的1萬(wàn)分之1～100萬(wàn)分之1，但如圖5所示，在磁性體上繞有線圈的狀態(tài)下流過(guò)電流，當(dāng)施加所產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)時(shí)，磁性體將會(huì)反復(fù)伸縮，并產(chǎn)生振動(dòng)。為此，在功率電感器中，無(wú)法完全消除磁致伸縮所導(dǎo)致的磁性體磁芯振動(dòng)。功率電感器單體振動(dòng)水平雖小，但當(dāng)貼裝至基板上時(shí)，若其振動(dòng)與基板的固有振動(dòng)數(shù)一致，則振動(dòng)將會(huì)被放大，從而會(huì)聽(tīng)到嘯叫。

 

振動(dòng)原因?：磁性體磁芯磁化導(dǎo)致相互吸引

 

磁性體被外部磁場(chǎng)磁化時(shí)將會(huì)表現(xiàn)出磁鐵性質(zhì)，從而與周圍磁性體相互吸引。圖6所示為全屏蔽型功率電感器示例。此為閉合磁路結(jié)構(gòu)的功率電感器，但鼓芯與屏蔽磁芯(環(huán)形磁芯)間設(shè)有間隙，噪音有時(shí)會(huì)從該處發(fā)出。繞組中流過(guò)交流電流時(shí)，因產(chǎn)生的磁場(chǎng)而被磁化的鼓芯與屏蔽磁芯將會(huì)因磁力而相互吸引，若該振動(dòng)在人耳可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)時(shí)，則會(huì)聽(tīng)到噪音。

鼓芯與屏蔽磁芯之間的間隙通過(guò)粘接劑進(jìn)行封閉，但為了防止因應(yīng)力產(chǎn)生開(kāi)裂，因此不會(huì)使用較硬的材料，從而無(wú)法完全抑制因相互吸引所導(dǎo)致的振動(dòng)。

 

圖6：鼓芯與屏蔽磁芯相互吸引導(dǎo)致嘯叫

 

振動(dòng)原因?：漏磁通導(dǎo)致繞組振動(dòng)

 

不帶有屏蔽磁芯的無(wú)屏蔽型功率電感器中，不會(huì)因前述鼓芯與屏蔽磁芯磁化導(dǎo)致的相互吸引而產(chǎn)生嘯叫。但在無(wú)屏蔽型產(chǎn)品中會(huì)發(fā)生其他問(wèn)題。由于無(wú)屏蔽型產(chǎn)品為開(kāi)放磁路結(jié)構(gòu)，因此漏磁通會(huì)對(duì)繞粗產(chǎn)生作用。由于繞組中會(huì)流過(guò)電流，因此根據(jù)佛來(lái)明左手定則，力會(huì)作用于繞組上。為此，當(dāng)交流電流流過(guò)繞組時(shí)，繞組本身會(huì)發(fā)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生嘯叫（圖7）。

 

圖7：磁通導(dǎo)致繞組振動(dòng)

 

噪音放大的各種原因

 

噪音放大原因? 與其他元件接觸

 

在高密度貼裝有多個(gè)電子元件及設(shè)備的電源電路基板中，若電感器與其他元件接觸，則電感器的微小振動(dòng)將會(huì)被放大，從而會(huì)聽(tīng)到嘯叫。

 

噪音放大原因? 漏磁通導(dǎo)致對(duì)周邊磁性體產(chǎn)生作用

 

當(dāng)電感器附近存在屏蔽罩等磁性體時(shí)，磁性體會(huì)因電感器漏磁通影響產(chǎn)生振動(dòng)，從發(fā)生嘯叫。

 

噪音放大原因? 與包括基板在內(nèi)的組件整體固有振動(dòng)數(shù)一致

 

通常情況下，用于電感器等產(chǎn)品中的小型磁性體磁芯單體，其磁致伸縮導(dǎo)致的空氣振動(dòng)基本不會(huì)被識(shí)別為嘯叫。但電感器由多個(gè)部件組合而成，且貼裝于基板上時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生多個(gè)人耳可聽(tīng)頻率的固有振動(dòng)數(shù)，該振動(dòng)放大后便會(huì)形成嘯叫。同時(shí)，若與組件整體的多個(gè)固有振動(dòng)數(shù)相一致時(shí)，在安裝至組件中之后有可能會(huì)發(fā)生嘯叫。

圖8所示為，通過(guò)運(yùn)用了FEM(有限元法)的計(jì)算機(jī)模擬器對(duì)貼裝有功率電感器的基板振動(dòng)情況進(jìn)行分析的示例。所使用的分析模型中，功率電感器配置于基板（FR4）中央，并對(duì)基板長(zhǎng)邊2面進(jìn)行了固定。

 

一般情況下，結(jié)構(gòu)體發(fā)生共振的固有值（固有振動(dòng)數(shù)）擁有多個(gè)，與此相應(yīng)，會(huì)有各種各樣的振動(dòng)模式。在該"功率電感器＋基板"的分析模型中，隨著頻率的提高，各固有振動(dòng)數(shù)也會(huì)出現(xiàn)各種各樣的振動(dòng)模式。圖8所示的1次、2次、5次、18次振動(dòng)模式中，功率電感器可能是振動(dòng)源。其中，1次模式的振動(dòng)頻率與功率電感器單體的振動(dòng)頻率基本相同。但值得注意的是，Z方向(高度方向)振動(dòng)較為顯著的2次模式在功率電感器單體的情況下出現(xiàn)了較高的頻率，但固定于基板上后出現(xiàn)了極低的頻率。

 

《分析模型》功率電感器配置于基板（FR4）中央。
 

邊界條件：固定基板長(zhǎng)邊2面。

 

1次模式 :2034Hz~

 

2次模式 :2262Hz~

 

5次模式 :4048Hz~

 

18次模式 :16226Hz~

圖8：通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬器對(duì)"功率電感器+基板"的振動(dòng)情況進(jìn)行分析的示例

 

功率電感器的嘯叫對(duì)策

 

以下就DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器嘯叫對(duì)策重點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

 

重點(diǎn)1：避免流過(guò)人耳可聽(tīng)頻率電流

 

避免流過(guò)人耳可聽(tīng)頻率電流是最為基本的對(duì)策。

但以節(jié)能等為目的的間歇工作以及頻率可變模式的DC-DC轉(zhuǎn)換器等無(wú)法避免人耳可聽(tīng)頻率的通電時(shí)，請(qǐng)嘗試以下靜音化對(duì)策。

 

重點(diǎn)2：周圍不放置磁性體

 

不在電感器附近放置可能受漏磁通影響的磁性體(屏蔽罩等)。不得已需要接近時(shí)，則應(yīng)使用漏磁通較少的屏蔽型(閉合磁路結(jié)構(gòu))的電感器，同時(shí)還應(yīng)注意放置方向。

 

重點(diǎn)3：錯(cuò)開(kāi)固有振動(dòng)數(shù)

 

有時(shí)通過(guò)錯(cuò)開(kāi)固有振動(dòng)數(shù)或提高振動(dòng)數(shù)可降低嘯叫。例如，通過(guò)變更電感器形狀、種類、布局、基板緊固等條件，包含基板的組件整體固有振動(dòng)數(shù)將會(huì)發(fā)生變化。此外，嘯叫常見(jiàn)于7mm尺寸以上的大型功率電感器中。通過(guò)采用5mm以下的小型功率電感器，固有振動(dòng)數(shù)將會(huì)提高，從而可降低嘯叫。

 

重點(diǎn)4：置換為金屬一體成型型

 

如上所述，在全屏蔽型功率電感器中，鼓芯與屏蔽磁芯會(huì)因磁性相互吸引，從而在間隙部位會(huì)發(fā)生嘯叫。同時(shí)，在無(wú)屏蔽型功率電感器中，漏磁通引起的電線振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生嘯叫。

 

針對(duì)此類功率電感器嘯叫問(wèn)題，置換為金屬一體成型型是有效的解決方案。這是通過(guò)在軟磁性金屬磁粉中嵌入空心線圈后進(jìn)行一體成型的功率電感器。由于沒(méi)有間隙，因此磁芯之間不會(huì)相互吸引，同時(shí)，由于固定線圈時(shí)使其與磁性體形成一體化，因此還可避免因磁通造成繞組振動(dòng)的問(wèn)題。不僅如此，TDK的產(chǎn)品還采用了磁致伸縮較小的金屬磁性材料，因此可抑制因磁致伸縮導(dǎo)致的振動(dòng)，通過(guò)置換無(wú)屏蔽型或全屏蔽型產(chǎn)品可有望降低嘯叫。

 

全屏蔽型與金屬一體型的噪音比較

 

以下將全屏蔽型與半屏蔽型功率電感器(TDK產(chǎn)品、約6mm尺寸)，以及全屏蔽型與金屬一體成型型功率電感器(TDK產(chǎn)品、約12mm尺寸)作為測(cè)量樣本，對(duì)噪音的發(fā)生情況進(jìn)行了調(diào)查。在消聲盒內(nèi)部安裝麥克風(fēng)，以0A～額定電流的正弦波電流對(duì)安裝于基板上的測(cè)量樣本通電60秒，并以人耳可聽(tīng)頻率20Hz~20kHz進(jìn)行掃頻，此間記錄其峰值聲壓(圖8)。

 

如圖表所示，比較全屏蔽型與半屏蔽型后可發(fā)現(xiàn)，聲壓等級(jí)會(huì)因頻率而有所不同。

比較全屏蔽型與金屬一體成型型產(chǎn)品時(shí)，其中的差異較為顯著。全屏蔽型中，在大范圍的頻帶內(nèi)產(chǎn)生有30~50dB左右水平的噪音。而在金屬一體成型型中，在大范圍頻帶內(nèi)，其與背景噪音處于同等低的水平，即使在峰值部位，其與全屏蔽型相比也抑制了大約20dB。抑制20dB也就意味著僅為10分之1的水平，由此可見(jiàn)，置換為金屬一體成型型是有效的對(duì)策。

 

 

圖9：各類功率電感器的噪音評(píng)估示例

 

資料來(lái)源：TDK

 

 

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