電子產(chǎn)品運行時,有時會聽到"嘰"的噪音。該現(xiàn)象稱為"嘯叫",導(dǎo)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(fù)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(jìn)行介紹。 功率電感器嘯叫原因 1. 間歇工作、頻率可變模式、負(fù)荷變動等可能導(dǎo)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(dāng)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(shè)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(guān)器件進(jìn)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(guān)頻率較高,達(dá)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(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行的情況。圖2所示為PWM方式與PFM方式的基本原理。
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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,移動設(shè)備液晶顯示器背光自動調(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,對背光亮度進(jìn)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(jìn)行間歇工作,并通過反復(fù)進(jìn)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(dāng)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(dǎo)致出現(xiàn)嘯叫。 注釋:占空比 DC-DC轉(zhuǎn)換器中,相對于開關(guān)周期(開關(guān)器件的ON時間+OFF時間)的ON時間比稱為占空比。對LED進(jìn)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(dǎo)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(dá)大約80~90%以上。但待機時間等輕負(fù)荷情況下,效率將會嚴(yán)重降低。開關(guān)造成的損耗與頻率成正比。為此,在輕負(fù)荷情況下會發(fā)生恒定開關(guān)損耗,因此會使效率降低。
因此,為了改善該問題,在輕負(fù)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(fù)荷減輕,在固定ON時間的情況下,對開關(guān)頻率進(jìn)行控制的方式。由于ON時間恒定,因此通過延長OFF時間,開關(guān)頻率將會漸漸降低。由于開關(guān)損耗與頻率成正比,因此通過降低頻率可在輕負(fù)荷情況下實現(xiàn)高效化。但降低后的頻率將會進(jìn)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(fù)荷導(dǎo)致的嘯叫
出于節(jié)省電池電力的目的,筆記本電腦等移動設(shè)備中運用有各類省電技術(shù),為此可能會導(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(yīng)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(guān)方式電源電路中的主要元件,通過與電容器進(jìn)行協(xié)調(diào),使開關(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(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。 ?
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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(kuò)大的機制
當(dāng)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(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
??? 噪音放大原因
??? ?與其他元件接觸
??? ?漏磁通導(dǎo)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(dǎo)致產(chǎn)生功率電感器嘯叫的振動原因以及噪音擴(kuò)大原因如圖4進(jìn)行了總結(jié)。以下對這些原因的主要內(nèi)容進(jìn)行說明。
圖4:導(dǎo)致產(chǎn)生功率電感器嘯叫的振動原因以及擴(kuò)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(yīng)變)
對磁性體施加磁場使其磁化后,其外形會發(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(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(jìn)行,處于優(yōu)勢的磁疇逐漸擴(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(dǎo)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(dāng)施加所產(chǎn)生的交流磁場時,磁性體將會反復(fù)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(dǎo)致的磁性體磁芯振動。功率電感器單體振動水平雖小,但當(dāng)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(dǎo)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(shè)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(jìn)行封閉,但為了防止因應(yīng)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(dǎo)致的振動。
圖6:鼓芯與屏蔽磁芯相互吸引導(dǎo)致嘯叫 ? 振動原因?:漏磁通導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(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將會被放大,從而會聽到嘯叫。
噪音放大原因? 漏磁通導(dǎo)致對周邊磁性體產(chǎn)生作用
當(dāng)電感器附近存在屏蔽罩等磁性體時,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(dǎo)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(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,并對基板長邊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(固有振動數(shù))擁有多個,與此相應(yīng),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(jìn)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(jìn)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(yīng)使用漏磁通較少的屏蔽型(閉合磁路結(jié)構(gòu))的電感器,同時還應(yīng)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(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(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(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
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當(dāng)然,還有最絕的方法,某位網(wǎng)友表示這個方法“百試百靈”,那就是把客戶的耳朵塞起來。
編輯:黃飛
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