為什么DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器會(huì)發(fā)出“嘰”的嘯叫

在筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)、電視機(jī)以及車載電子設(shè)備等運(yùn)行時(shí)，有時(shí)會(huì)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、電感器等被動(dòng)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(duì)策進(jìn)行介紹。

聲波是在空氣中傳播的彈性波，人的聽覺(jué)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(guò)人耳可聽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)被聽成嘯叫現(xiàn)象。

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。

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。

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，開關(guān)頻率將會(huì)漸漸降低。由于開關(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)入人耳可聽的約20~20kHz的范圍，此時(shí)功率電感器將會(huì)發(fā)生嘯叫。

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。

當(dāng)流過(guò)人耳可聽范圍頻率的電流時(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。

振動(dòng)原因?磁性體磁芯磁致伸縮(磁應(yīng)變)

振動(dòng)原因?磁性體磁芯磁化導(dǎo)致相互吸引

振動(dòng)原因?漏磁通導(dǎo)致繞組振動(dòng)

噪音放大原因? 與其他元件接觸

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

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

《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

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)。

避免流過(guò)人耳可聽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)法避免人耳可聽頻率的通電時(shí)，請(qǐng)嘗試以下靜音化對(duì)策。

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。

有時(shí)通過(guò)錯(cuò)開固有振動(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。

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。