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如何解決電子設備中功率電感器的嘯叫問題
2022-06-20

在筆記本電腦、平板電腦、智能手機、電視機以及車載電子設備等運行時，有時會聽到"嘰"的噪音。該現(xiàn)象稱為"嘯叫"，導致該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能在于電容器、電感器等無源元件。電容器與電感器的發(fā)生嘯叫的原理不同，尤其是電感器的嘯叫，其原因多種多樣，十分復雜。本文中將就DC-DC轉(zhuǎn)換器等電源電路的主要元件——功率電感器的嘯叫原因以及有效對策進行介紹。 功率電感器嘯叫原因 1. 間歇工作、頻率可變模式、負荷變動等可能導致人耳可聽頻率振動聲波是在空氣中傳播的彈性波，人的聽覺可聽到大約20～20kHz頻率范圍的"聲音"。在DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器中，當流過人耳可聽范圍頻率的交流電流以及脈沖波時，電感器主體會發(fā)生振動，該現(xiàn)象稱為"線圈噪音"，有時也會被聽成嘯叫現(xiàn)象(圖1)。 圖1：功率電感器嘯叫機制 隨著電子設備的功能不斷強化，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)換器通過開關器件進行ON/OFF，由此產(chǎn)生脈沖狀電流。通過控制ON的時間長度(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)換器的開關頻率較高，達到數(shù)100kHz～數(shù)MHz，由于該頻率振動超出了人耳可聽范圍，因此不會感受到噪音。那么，為什么DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器會發(fā)出"嘰"的嘯叫呢？ 可能的原因有幾個，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)換器間歇工作導致的嘯叫 出于節(jié)能等目的，移動設備液晶顯示器背光自動調(diào)光功能等引進了DC-DC轉(zhuǎn)換器間歇工作。這是根據(jù)使用環(huán)境照度，對背光亮度進行自動調(diào)光，從而延長電池使用時間的系統(tǒng)。 該調(diào)光有多種方式，其中，控制LED亮燈時間及熄燈時間長度的方式稱為PWM調(diào)光。PWM方式調(diào)光系統(tǒng)的優(yōu)點在于，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200Hz左右的較低頻率使DC-DC轉(zhuǎn)換器進行間歇工作，并通過反復進行亮燈/熄滅操作來調(diào)整亮度。在亮燈/熄滅的恒定循環(huán)中，調(diào)長亮燈時間時將會變亮，調(diào)短時則會變暗。在200Hz左右的間歇工作中，眼睛基本上不會察覺背光頻閃情況。但由于其處于人耳可聽頻率中，因此當基板上貼裝的功率電感器中流過間歇工作的電流時，電感器主體將會因頻率影響而發(fā)生振動，從而導致出現(xiàn)嘯叫。 注釋：占空比 DC-DC轉(zhuǎn)換器中，相對于開關周期(開關器件的ON時間+OFF時間)的ON時間比稱為占空比。對LED進行PWM調(diào)光時，亮燈時間/(亮燈時間＋熄燈時間)稱為占空比，并表示亮度。 3. 頻率可變模式DC-DC轉(zhuǎn)換器導致的嘯叫 PWM方式DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點在于，在普通工作中，其效率可高達大約80~90%以上。但待機時間等輕負荷情況下，效率將會嚴重降低。開關造成的損耗與頻率成正比。為此，在輕負荷情況下會發(fā)生恒定開關損耗，因此會使效率降低。 因此，為了改善該問題，在輕負荷情況下使用自動將PWM方式替換為PFM(脈沖調(diào)頻)方式的DC-DC轉(zhuǎn)換器。PFM方式是配合負荷減輕，在固定ON時間的情況下，對開關頻率進行控制的方式。由于ON時間恒定，因此通過延長OFF時間，開關頻率將會漸漸降低。由于開關損耗與頻率成正比，因此通過降低頻率可在輕負荷情況下實現(xiàn)高效化。但降低后的頻率將會進入人耳可聽的約20~20kHz的范圍，此時功率電感器將會發(fā)生嘯叫。 4. 負荷導致的嘯叫 出于節(jié)省電池電力的目的，筆記本電腦等移動設備中運用有各類省電技術(shù)，為此可能會導致電感器發(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，當該周期處于人耳可聽頻率范圍時，功率電感器可能會因該影響而產(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，而對于交流電流等發(fā)生變化的電流，則通過自感應作用，朝阻止發(fā)生變化的方向產(chǎn)生電動勢，發(fā)揮電阻的作用。此時，電感器將電能轉(zhuǎn)換為磁能，將其積攢起來，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)換器等開關方式電源電路中的主要元件，通過與電容器進行協(xié)調(diào)，使開關器件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流過大電流，因此繞組型為主流產(chǎn)品。這是因為，通過將高導磁率的磁性體（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以及噪音擴大的機制 當流過人耳可聽范圍頻率的電流時，功率電感器主體發(fā)生的振動會引起嘯叫。其振動原因以及噪音原因有以下幾種可能。 振動原因 ?磁性體磁芯磁致伸縮（磁應變）作用 ?磁性體磁芯磁化導致相互吸引 ?漏磁通導致繞組振動 噪音放大原因 ?與其他元件接觸 ?漏磁通導致對周邊磁性體產(chǎn)生作用 ?與包括基板在內(nèi)的組件整體固有振動數(shù)一致 導致產(chǎn)生功率電感器嘯叫的振動原因以及噪音擴大原因如圖4進行了總結(jié)。以下對這些原因的主要內(nèi)容進行說明。 圖4：導致產(chǎn)生功率電感器嘯叫的振動原因以及擴大原因 產(chǎn)生振動的各種原因與作用 振動原因?：磁性體磁芯磁致伸縮（磁應變） 對磁性體施加磁場使其磁化后，其外形會發(fā)生細微變化。該現(xiàn)象稱為"磁致伸縮"或"磁應變"。以鐵氧體等磁性體為磁芯的電感器中，繞組所產(chǎn)生的交流磁場會使磁性體磁芯發(fā)生伸縮，有時會檢測到其振動聲。 圖5：磁性體磁致伸縮（磁應變）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，因此磁疇是一個自發(fā)磁化朝向恒定的微小磁鐵，但磁性體整體卻不會表現(xiàn)出磁鐵的特性。這是因為，構(gòu)成磁性體的多個磁疇，其排列使自發(fā)磁化相互抵消，因此從表面上來看處于消磁狀態(tài)。 從外部對處于該消磁狀態(tài)的磁性體施加磁場時，各個磁疇會將自發(fā)磁化朝向統(tǒng)一為外部磁場方向，因此磁疇范圍會逐漸發(fā)生變化。該現(xiàn)象由磁疇間邊界——磁壁的移動所引起。由此，隨著磁化的進行，處于優(yōu)勢的磁疇逐漸擴大其范圍，最終成為單一磁疇，并朝向外部磁場方向（飽和磁化狀態(tài)）。該磁化過程中，在原子水平下會發(fā)生微小的位置變化，而在宏觀水平下，則會表現(xiàn)為磁致伸縮，即磁性體的外形變化。 磁致伸縮導致的外形變化極其微小，約為原尺寸的1萬分之1～100萬分之1，但如圖5所示，在磁性體上繞有線圈的狀態(tài)下流過電流，當施加所產(chǎn)生的交流磁場時，磁性體將會反復伸縮，并產(chǎn)生振動。為此，在功率電感器中，無法完全消除磁致伸縮所導致的磁性體磁芯振動。功率電感器單體振動水平雖小，但當貼裝至基板上時，若其振動與基板的固有振動數(shù)一致，則振動將會被放大，從而會聽到嘯叫。 振動原因?：磁性體磁芯磁化導致相互吸引 磁性體被外部磁場磁化時將會表現(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)間設有間隙，噪音有時會從該處發(fā)出。繞組中流過交流電流時，因產(chǎn)生的磁場而被磁化的鼓芯與屏蔽磁芯將會因磁力而相互吸引，若該振動在人耳可聽頻率范圍內(nèi)時，則會聽到噪音。 鼓芯與屏蔽磁芯之間的間隙通過粘接劑進行封閉，但為了防止因應力產(chǎn)生開裂，因此不會使用較硬的材料，從而無法完全抑制因相互吸引所導致的振動。 圖6：鼓芯與屏蔽磁芯相互吸引導致嘯叫 振動原因?：漏磁通導致繞組振動 不帶有屏蔽磁芯的無屏蔽型功率電感器中，不會因前述鼓芯與屏蔽磁芯磁化導致的相互吸引而產(chǎn)生嘯叫。但在無屏蔽型產(chǎn)品中會發(fā)生其他問題。由于無屏蔽型產(chǎn)品為開放磁路結(jié)構(gòu)，因此漏磁通會對繞粗產(chǎn)生作用。由于繞組中會流過電流，因此根據(jù)佛來明左手定則，力會作用于繞組上。為此，當交流電流流過繞組時，繞組本身會發(fā)生振動，從而產(chǎn)生嘯叫（圖7）。 圖7：磁通導致繞組振動 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電子元件及設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將會被放大，從而會聽到嘯叫。 噪音放大原因? 漏磁通導致對周邊磁性體產(chǎn)生作用 當電感器附近存在屏蔽罩等磁性體時，磁性體會因電感器漏磁通影響產(chǎn)生振動，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，其磁致伸縮導致的空氣振動基本不會被識別為嘯叫。但電感器由多個部件組合而成，且貼裝于基板上時，將會產(chǎn)生多個人耳可聽頻率的固有振動數(shù)，該振動放大后便會形成嘯叫。同時，若與組件整體的多個固有振動數(shù)相一致時，在安裝至組件中之后有可能會發(fā)生嘯叫。 圖8所示為，通過運用了FEM(有限元法)的計算機模擬器對貼裝有功率電感器的基板振動情況進行分析的示例。所使用的分析模型中，功率電感器配置于基板（FR4）中央，并對基板長邊2面進行了固定。 一般情況下，結(jié)構(gòu)體發(fā)生共振的固有值（固有振動數(shù)）擁有多個，與此相應，會有各種各樣的振動模式。在該"功率電感器＋基板"的分析模型中，隨著頻率的提高，各固有振動數(shù)也會出現(xiàn)各種各樣的振動模式。圖8所示的1次、2次、5次、18次振動模式中，功率電感器可能是振動源。其中，1次模式的振動頻率與功率電感器單體的振動頻率基本相同。但值得注意的是，Z方向(高度方向)振動較為顯著的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：通過計算機模擬器對"功率電感器+基板"的振動情況進行分析的示例 功率電感器的嘯叫對策 以下就DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器嘯叫對策重點進行了總結(jié)。 重點1：避免流過人耳可聽頻率電流 避免流過人耳可聽頻率電流是最為基本的對策。 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)換器等無法避免人耳可聽頻率的通電時，請嘗試以下靜音化對策。 重點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，則應使用漏磁通較少的屏蔽型(閉合磁路結(jié)構(gòu))的電感器，同時還應注意放置方向。 重點3：錯開固有振動數(shù) 有時通過錯開固有振動數(shù)或提高振動數(shù)可降低嘯叫。例如，通過變更電感器形狀、種類、布局、基板緊固等條件，包含基板的組件整體固有振動數(shù)將會發(fā)生變化。此外，嘯叫常見于7mm尺寸以上的大型功率電感器中。通過采用5mm以下的小型功率電感器，固有振動數(shù)將會提高，從而可降低嘯叫。 重點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，鼓芯與屏蔽磁芯會因磁性相互吸引，從而在間隙部位會發(fā)生嘯叫。同時，在無屏蔽型功率電感器中，漏磁通引起的電線振動會導致產(chǎn)生嘯叫。 針對此類功率電感器嘯叫問題，置換為金屬一體成型型是有效的解決方案。這是通過在軟磁性金屬磁粉中嵌入空心線圈后進行一體成型的功率電感器。由于沒有間隙，因此磁芯之間不會相互吸引，同時，由于固定線圈時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的問題。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致的振動，通過置換無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)作為測量樣本，對噪音的發(fā)生情況進行了調(diào)查。在消聲盒內(nèi)部安裝麥克風，以0A～額定電流的正弦波電流對安裝于基板上的測量樣本通電60秒，并以人耳可聽頻率20Hz~20kHz進行掃頻，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)，聲壓等級會因頻率而有所不同。 比較全屏蔽型與金屬一體成型型產(chǎn)品時，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，置換為金屬一體成型型是有效的對策。 圖9：各類功率電感器的噪音評估示例 來源：TDK

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