在笔记本电脑、平板电脑、智能手机、电视机以及车载电子设备等运行时,有时会听到"叽"的噪音。该现象称为"啸叫",导致该现象出现的原因可能在于电容器、电感器等无源元件。电容器与电感器的发生啸叫的原理不同,尤其是电感器的啸叫,其原因多种多样,十分复杂。本文中将就 DC-DC 转换器等电源电路的主要元件——功率电感器的啸叫原因以及有效对策进行介绍。

 

功率电感器啸叫原因

1. 间歇工作、频率可变模式、负荷变动等可能导致人耳可听频率振动

 

声波是在空气中传播的弹性波,人的听觉可听到大约 20~20kHz 频率范围的"声音"。在 DC-DC 转换器的功率电感器中,当流过人耳可听范围频率的交流电流以及脉冲波时,电感器主体会发生振动,该现象称为"线圈噪音",有时也会被听成啸叫现象(图 1)。

 

图 1:功率电感器啸叫机制

 

随着电子设备的功能不断强化,DC-DC 转换器的功率电感器也成为了噪音发生源之一。DC-DC 转换器通过开关器件进行 ON/OFF,由此产生脉冲状电流。通过控制 ON 的时间长度(脉宽),可得到电压恒定的稳定直流电流。该方式称为 PWM(脉冲调幅),其作为 DC-DC 转换器的主流方式获得广泛使用。

 

但 DC-DC 转换器的开关频率较高,达到数 100kHz~数 MHz,由于该频率振动超出了人耳可听范围,因此不会感受到噪音。那么,为什么 DC-DC 转换器的功率电感器会发出"叽"的啸叫呢?

 

可能的原因有几个,首先可能的是以节省电池电力等为目的,让 DC-DC 转换器进行间歇工作的情况,或将 DC-DC 转换器从 PWM 方式切换为 PFM(脉冲调频)方式,在频率可变模式下运行的情况。图 2 所示为 PWM 方式与 PFM 方式的基本原理。

 

 

图 2:PWM(脉冲调幅)方式与 PFM(脉冲调频)方式

 

2. PWM 调光等 DC-DC 转换器间歇工作导致的啸叫
出于节能等目的,移动设备液晶显示器背光自动调光功能等引进了 DC-DC 转换器间歇工作。这是根据使用环境照度,对背光亮度进行自动调光,从而延长电池使用时间的系统。

 

该调光有多种方式,其中,控制 LED 亮灯时间及熄灯时间长度的方式称为 PWM 调光。PWM 方式调光系统的优点在于,调光引起的色度变化较少,其主要用于笔记本电脑以及平板电脑等的背光中。

 

PWM 调光通过 200Hz 左右的较低频率使 DC-DC 转换器进行间歇工作,并通过反复进行亮灯 / 熄灭操作来调整亮度。在亮灯 / 熄灭的恒定循环中,调长亮灯时间时将会变亮,调短时则会变暗。在 200Hz 左右的间歇工作中,眼睛基本上不会察觉背光频闪情况。但由于其处于人耳可听频率中,因此当基板上贴装的功率电感器中流过间歇工作的电流时,电感器主体将会因频率影响而发生振动,从而导致出现啸叫。

 

注释:占空比
DC-DC 转换器中,相对于开关周期(开关器件的 ON 时间+OFF 时间)的 ON 时间比称为占空比。对 LED 进行 PWM 调光时,亮灯时间 /(亮灯时间+熄灯时间)称为占空比,并表示亮度。

 

3. 频率可变模式 DC-DC 转换器导致的啸叫

PWM 方式 DC-DC 转换器的特点在于,在普通工作中,其效率可高达大约 80~90%以上。但待机时间等轻负荷情况下,效率将会严重降低。开关造成的损耗与频率成正比。为此,在轻负荷情况下会发生恒定开关损耗,因此会使效率降低。

 

因此,为了改善该问题,在轻负荷情况下使用自动将 PWM 方式替换为 PFM(脉冲调频)方式的 DC-DC 转换器。PFM 方式是配合负荷减轻,在固定 ON 时间的情况下,对开关频率进行控制的方式。由于 ON 时间恒定,因此通过延长 OFF 时间,开关频率将会渐渐降低。由于开关损耗与频率成正比,因此通过降低频率可在轻负荷情况下实现高效化。但降低后的频率将会进入人耳可听的约 20~20kHz 的范围,此时功率电感器将会发生啸叫。

 

4. 负荷导致的啸叫

出于节省电池电力的目的,笔记本电脑等移动设备中运用有各类省电技术,为此可能会导致电感器发生啸叫。例如,出于兼顾低耗电量以及处理能力的目的,笔记本电脑 CPU 中带有周期性变更消耗电流的模式,当该周期处于人耳可听频率范围时,功率电感器可能会因该影响而产生啸叫。

 

注释:DC-DC 转换器中功率电感器的作用

电感器可使直流电流顺利流过,而对于交流电流等发生变化的电流,则通过自感应作用,朝阻止发生变化的方向产生电动势,发挥电阻的作用。此时,电感器将电能转换为磁能,将其积攒起来,并在转换成电能后将其放出。该能量的大小与电感器电感值成正比。

 

功率电感器也被称为功率线圈、功率扼流圈,是用于 DC-DC 转换器等开关方式电源电路中的主要元件,通过与电容器进行协调,使开关器件 ON/OFF 所产生的高频脉冲更为平滑化。

 

由于电源电路的功率电感器中会流过大电流,因此绕组型为主流产品。这是因为,通过将高导磁率的磁性体(铁氧体或软磁性金属)用于磁芯中,以较少巻数实现高电感值,从而可使产品更为小型化。图 3 所示为使用功率电感器的 DC-DC 转换器(非绝缘型及斩波方式)基本电路。

 

 

图 3:DC-DC 转换器(非绝缘型及斩波方式)基本电路

 

功率电感器主体振动以及噪音扩大的机制

当流过人耳可听范围频率的电流时,功率电感器主体发生的振动会引起啸叫。其振动原因以及噪音原因有以下几种可能。

   

振动原因
➀磁性体磁芯磁致伸缩(磁应变)作用
   

➁磁性体磁芯磁化导致相互吸引
   

➂漏磁通导致绕组振动

   

噪音放大原因
➀与其他元件接触
   

➁漏磁通导致对周边磁性体产生作用
   

➂与包括基板在内的组件整体固有振动数一致

 

导致产生功率电感器啸叫的振动原因以及噪音扩大原因如图 4 进行了总结。以下对这些原因的主要内容进行说明。

 

图 4:导致产生功率电感器啸叫的振动原因以及扩大原因

 

产生振动的各种原因与作用

振动原因➀:磁性体磁芯磁致伸缩(磁应变)

对磁性体施加磁场使其磁化后,其外形会发生细微变化。该现象称为"磁致伸缩"或"磁应变"。以铁氧体等磁性体为磁芯的电感器中,绕组所产生的交流磁场会使磁性体磁芯发生伸缩,有时会检测到其振动声。

 

图 5:磁性体磁致伸缩(磁应变)作用

 

磁性体是称为磁畴的小范围的集合体(图 5)。磁畴内部的原子磁矩朝向相同,因此磁畴是一个自发磁化朝向恒定的微小磁铁,但磁性体整体却不会表现出磁铁的特性。这是因为,构成磁性体的多个磁畴,其排列使自发磁化相互抵消,因此从表面上来看处于消磁状态。

 

从外部对处于该消磁状态的磁性体施加磁场时,各个磁畴会将自发磁化朝向统一为外部磁场方向,因此磁畴范围会逐渐发生变化。该现象由磁畴间边界——磁壁的移动所引起。由此,随着磁化的进行,处于优势的磁畴逐渐扩大其范围,最终成为单一磁畴,并朝向外部磁场方向(饱和磁化状态)。该磁化过程中,在原子水平下会发生微小的位置变化,而在宏观水平下,则会表现为磁致伸缩,即磁性体的外形变化。

 

磁致伸缩导致的外形变化极其微小,约为原尺寸的 1 万分之 1~100 万分之 1,但如图 5 所示,在磁性体上绕有线圈的状态下流过电流,当施加所产生的交流磁场时,磁性体将会反复伸缩,并产生振动。为此,在功率电感器中,无法完全消除磁致伸缩所导致的磁性体磁芯振动。功率电感器单体振动水平虽小,但当贴装至基板上时,若其振动与基板的固有振动数一致,则振动将会被放大,从而会听到啸叫。

 

振动原因➁:磁性体磁芯磁化导致相互吸引

磁性体被外部磁场磁化时将会表现出磁铁性质,从而与周围磁性体相互吸引。图 6 所示为全屏蔽型功率电感器示例。此为闭合磁路结构的功率电感器,但鼓芯与屏蔽磁芯(环形磁芯)间设有间隙,噪音有时会从该处发出。绕组中流过交流电流时,因产生的磁场而被磁化的鼓芯与屏蔽磁芯将会因磁力而相互吸引,若该振动在人耳可听频率范围内时,则会听到噪音。

 

鼓芯与屏蔽磁芯之间的间隙通过粘接剂进行封闭,但为了防止因应力产生开裂,因此不会使用较硬的材料,从而无法完全抑制因相互吸引所导致的振动。

 

图 6:鼓芯与屏蔽磁芯相互吸引导致啸叫

 

振动原因➂:漏磁通导致绕组振动

不带有屏蔽磁芯的无屏蔽型功率电感器中,不会因前述鼓芯与屏蔽磁芯磁化导致的相互吸引而产生啸叫。但在无屏蔽型产品中会发生其他问题。由于无屏蔽型产品为开放磁路结构,因此漏磁通会对绕粗产生作用。由于绕组中会流过电流,因此根据佛来明左手定则,力会作用于绕组上。为此,当交流电流流过绕组时,绕组本身会发生振动,从而产生啸叫(图 7)。

 

图 7:磁通导致绕组振动

 

噪音放大的各种原因

噪音放大原因➀ 与其他元件接触

 

在高密度贴装有多个电子元件及设备的电源电路基板中,若电感器与其他元件接触,则电感器的微小振动将会被放大,从而会听到啸叫。

 

噪音放大原因➁ 漏磁通导致对周边磁性体产生作用

 

当电感器附近存在屏蔽罩等磁性体时,磁性体会因电感器漏磁通影响产生振动,从发生啸叫。

 

噪音放大原因➂ 与包括基板在内的组件整体固有振动数一致

 

通常情况下,用于电感器等产品中的小型磁性体磁芯单体,其磁致伸缩导致的空气振动基本不会被识别为啸叫。但电感器由多个部件组合而成,且贴装于基板上时,将会产生多个人耳可听频率的固有振动数,该振动放大后便会形成啸叫。同时,若与组件整体的多个固有振动数相一致时,在安装至组件中之后有可能会发生啸叫。

 

图 8 所示为,通过运用了 FEM(有限元法)的计算机模拟器对贴装有功率电感器的基板振动情况进行分析的示例。所使用的分析模型中,功率电感器配置于基板(FR4)中央,并对基板长边 2 面进行了固定。

 

一般情况下,结构体发生共振的固有值(固有振动数)拥有多个,与此相应,会有各种各样的振动模式。在该"功率电感器+基板"的分析模型中,随着频率的提高,各固有振动数也会出现各种各样的振动模式。图 8 所示的 1 次、2 次、5 次、18 次振动模式中,功率电感器可能是振动源。其中,1 次模式的振动频率与功率电感器单体的振动频率基本相同。但值得注意的是,Z 方向(高度方向)振动较为显著的 2 次模式在功率电感器单体的情况下出现了较高的频率,但固定于基板上后出现了极低的频率。

 

《分析模型》功率电感器配置于基板(FR4)中央。


边界条件:固定基板长边 2 面。

 

 

1 次模式 :2034Hz~

 

 

2 次模式 :2262Hz~

 

 

5 次模式 :4048Hz~

 

 

18 次模式 :16226Hz~

 

图 8:通过计算机模拟器对"功率电感器+基板"的振动情况进行分析的示例

 

功率电感器的啸叫对策

以下就 DC-DC 转换器的功率电感器啸叫对策重点进行了总结。

 

重点 1:避免流过人耳可听频率电流

避免流过人耳可听频率电流是最为基本的对策。


但以节能等为目的的间歇工作以及频率可变模式的 DC-DC 转换器等无法避免人耳可听频率的通电时,请尝试以下静音化对策。

 

重点 2:周围不放置磁性体

不在电感器附近放置可能受漏磁通影响的磁性体(屏蔽罩等)。不得已需要接近时,则应使用漏磁通较少的屏蔽型(闭合磁路结构)的电感器,同时还应注意放置方向。

 

重点 3:错开固有振动数

有时通过错开固有振动数或提高振动数可降低啸叫。例如,通过变更电感器形状、种类、布局、基板紧固等条件,包含基板的组件整体固有振动数将会发生变化。此外,啸叫常见于 7mm 尺寸以上的大型功率电感器中。通过采用 5mm 以下的小型功率电感器,固有振动数将会提高,从而可降低啸叫。

 

重点 4:置换为金属一体成型型

如上所述,在全屏蔽型功率电感器中,鼓芯与屏蔽磁芯会因磁性相互吸引,从而在间隙部位会发生啸叫。同时,在无屏蔽型功率电感器中,漏磁通引起的电线振动会导致产生啸叫。

 

针对此类功率电感器啸叫问题,置换为金属一体成型型是有效的解决方案。这是通过在软磁性金属磁粉中嵌入空心线圈后进行一体成型的功率电感器。由于没有间隙,因此磁芯之间不会相互吸引,同时,由于固定线圈时使其与磁性体形成一体化,因此还可避免因磁通造成绕组振动的问题。不仅如此,TDK 的产品还采用了磁致伸缩较小的金属磁性材料,因此可抑制因磁致伸缩导致的振动,通过置换无屏蔽型或全屏蔽型产品可有望降低啸叫。

 

全屏蔽型与金属一体型的噪音比较

以下将全屏蔽型与半屏蔽型功率电感器(TDK 产品、约 6mm 尺寸),以及全屏蔽型与金属一体成型型功率电感器(TDK 产品、约 12mm 尺寸)作为测量样本,对噪音的发生情况进行了调查。在消声盒内部安装麦克风,以 0A~额定电流的正弦波电流对安装于基板上的测量样本通电 60 秒,并以人耳可听频率 20Hz~20kHz 进行扫频,此间记录其峰值声压(图 8)。

 

如图表所示,比较全屏蔽型与半屏蔽型后可发现,声压等级会因频率而有所不同。

 

比较全屏蔽型与金属一体成型型产品时,其中的差异较为显著。全屏蔽型中,在大范围的频带内产生有 30~50dB 左右水平的噪音。而在金属一体成型型中,在大范围频带内,其与背景噪音处于同等低的水平,即使在峰值部位,其与全屏蔽型相比也抑制了大约 20dB。抑制 20dB 也就意味着仅为 10 分之 1 的水平,由此可见,置换为金属一体成型型是有效的对策。

 

图 9:各类功率电感器的噪音评估示例

 

 

 


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