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如何解决电子设备中功率电感器的啸叫问题

在条记本电脑、平板电脑、智妙手机、电视机以及车载电子设备等运行时,无意偶尔会听到"叽"的噪音。该征象称为"啸叫",导致该征象呈现的缘故原由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道理不合,尤其是电感器的啸叫,其缘故原由多种多样,十分繁杂。本文中姑息DC-DC转换器等电源电路的主要元件——功率电感器的啸叫缘故原由以及有效对策进行先容。

功率电感器啸叫缘故原由

1. 间歇事情、频率可变模式、负荷更改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,人的听觉可听到大年夜约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,该征象称为"线圈噪音",无意偶尔也会被听成啸叫征象(图1)。

图1:功率电感器啸叫机制

跟着电子设备的功能赓续强化,DC-DC转换器的功率电感器也成为了噪音发生源之一。DC-DC转换器经由过程开关器件进行ON/OFF,由此孕育发生脉冲状电流。经由过程节制ON的光阴长度(脉宽),可获得电压恒定的稳定直流电流。该要领称为PWM(脉冲调幅),其作为DC-DC转换器的主流要领得到广泛应用。

但DC-DC转换器的开关频率较高,达到数100kHz~数MHz,因为该频率振动越过了人耳可听范围,是以不会感想熏染到噪音。那么,为什么DC-DC转换器的功率电感器会发出"叽"的啸叫呢?

可能的缘故原由有几个,首先可能的因此节省电池电力等为目的,让DC-DC转换器进行间歇事情的环境,或将DC-DC转换器从PWM要领切换为PFM(脉冲调频)要领,在频率可变模式下运行的环境。图2所示为PWM要领与PFM要领的基滥觞基本理。

图2:PWM(脉冲调幅)要领与PFM(脉冲调频)要领

2. PWM调光等DC-DC转换器间歇事情导致的啸叫

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转换器间歇事情。这是根据应用情况照度,对背光亮度进行自动调光,从而延长电池应用光阴的系统。

该调光有多种要领,此中,节制LED亮灯光阴及熄灯光阴长度的要领称为PWM调光。PWM要领调光系统的优点在于,调光引起的色度变更较少,其主要用于条记本电脑以及平板电脑等的背光中。

PWM调光经由过程200Hz阁下的较低频率使DC-DC转换器进行间歇事情,并经由过程反复进行亮灯/熄灭操作来调剂亮度。在亮灯/熄灭的恒定轮回中,调长亮灯光阴时将会变亮,调短时则会变暗。在200Hz阁下的间歇事情中,眼睛基础上不会察觉背光频闪环境。但因为其处于人耳可听频率中,是以当基板上贴装的功率电感器中流过间歇事情的电流时,电感器主体将会因频率影响而发生振动,从而导致呈现啸叫。

注释:占空比

DC-DC转换器中,相对付开关周期(开关器件的ON光阴+OFF光阴)的ON光阴比称为占空比。对LED进行PWM调光时,亮灯光阴/(亮灯光阴+熄灯光阴)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要领DC-DC转换器的特征在于,在通俗事情中,其效率可高达大年夜约80~90%以上。但待机光阴等轻负荷环境下,效率将会严重低落。开关造成的损耗与频率成正比。为此,在轻负荷环境下会发生恒定开关损耗,是以会使效率低落。

是以,为了改良该问题,在轻负荷环境下应用自动将PWM要领调换为PFM(脉冲调频)要领的DC-DC转换器。PFM要领是共同负荷减轻,在固定ON光阴的环境下,对开关频率进行节制的要领。因为ON光阴恒定,是以经由过程延长OFF光阴,开关频率将会垂垂低落。因为开关损耗与频率成正比,是以经由过程低落频率可在轻负荷环境下实现高效化。但低后进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,条记本电脑等移动设备中运用有种种省电技巧,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置惩罚能力的目的,条记本电脑CPU中带有周期性变化耗损电流的模式,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孕育发生啸叫。

注释:DC-DC转换器中功率电感器的感化

电感器可使直流电流顺利流过,而对付交流电流等发生变更的电流,则经由过程自感应感化,朝阻拦发生变更的偏向孕育发生电动势,发挥电阻的感化。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。该能量的大年夜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转换器等开关要领电源电路中的主要元件,经由过程与电容器进行和谐,使开关器件ON/OFF所孕育发生的高频脉冲更为平滑化。

因为电源电路的功率电感器中会流过大年夜电流,是以绕组型为主流产品。这是由于,经由过程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所示为应用功率电感器的DC-DC转换器(非绝缘型及斩波要领)基础电路。

图3:DC-DC转换器(非绝缘型及斩波要领)基础电路

功率电感器主体振动以及噪音扩大年夜的机制

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。其振动缘故原由以及噪音缘故原由有以下几种可能。

振动缘故原由

➀磁性体磁芯磁致伸缩(磁应变)感化

➁磁性体磁芯磁化导致互相吸引

➂漏磁通导致绕组振动

噪音放大年夜缘故原由

➀与其他元件打仗

➁漏磁通导致对周边磁性体孕育发生感化

➂与包括基板在内的组件整体固有振动数同等

导致孕育发生功率电感器啸叫的振动缘故原由以及噪音扩大年夜缘故原由如图4进行了总结。以下对这些缘故原由的主要内容进行阐明。

图4:导致孕育发生功率电感器啸叫的振动缘故原由以及扩大年夜缘故原由

孕育发生振动的各类缘故原由与感化

振动缘故原由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,其形状会发生细微变更。该征象称为"磁致伸缩"或"磁应变"。以铁氧体等磁性体为磁芯的电感器中,绕组所孕育发生的交流磁场会使磁性体磁芯发生伸缩,无意偶尔会检测到其振动声。

图5:磁性体磁致伸缩(磁应变)感化

磁性体是称为磁畴的小范围的聚拢体(图5)。磁畴内部的原子磁矩朝向相同,是以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体现出磁铁的特点。这是由于,构成磁性体的多个磁畴,其排列使自发磁化互相抵消,是以从外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偏向,是以磁畴范围会徐徐发生变更。该征象由磁畴间界限——磁壁的移动所引起。由此,跟着磁化的进行,处于上风的磁畴徐徐扩大年夜其范围,终极成为单一磁畴,并朝向外部磁场偏向(饱和磁化状态)。该磁化历程中,在原子水平下会发生微小的位置变更,而在宏不雅水平下,则会体现为磁致伸缩,即磁性体的形状变更。

磁致伸缩导致的形状变更极其微小,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游过电流,当施加所孕育发生的交流磁场时,磁性体将会反复伸缩,并孕育发生振动。为此,在功率电感器中,无法完全打消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同等,则振动将会被放大年夜,从而会听到啸叫。

振动缘故原由➁:磁性体磁芯磁化导致互相吸引

磁性体被外部磁场磁化时将会体现出磁铁性子,从而与周围磁性体互相吸引。图6所示为全樊篱型功率电感器示例。此为闭合磁路布局的功率电感器,但鼓芯与樊篱磁芯(环形磁芯)间设有间隙,噪音无意偶尔会从该处发出。绕组中流过交流电流时,因孕育发生的磁场而被磁化的鼓芯与樊篱磁芯将会因磁力而互相吸引,若该振动在人耳可听频率范围内时,则会听到噪音。

鼓芯与樊篱磁芯之间的间隙经由过程粘接剂进行封闭,但为了防止因应力孕育发生开裂,是以不会应用较硬的材料,从而无法完全抑制因互相吸引所导致的振动。

图6:鼓芯与樊篱磁芯互相吸向导致啸叫

振动缘故原由➂:漏磁通导致绕组振动

不带有樊篱磁芯的无樊篱型功率电感器中,不会因前述鼓芯与樊篱磁芯磁化导致的互相吸引而孕育发生啸叫。但在无樊篱型产品中会发生其他问题。因为无樊篱型产品为开放磁路布局,是以漏磁通会对绕粗孕育发生感化。因为绕组中会流过电流,是以根据佛来明左手定则,力会感化于绕组上。为此,当交流电流流过绕组时,绕组本身会发生振动,从而孕育发生啸叫(图7)。

图7:磁通导致绕组振动

噪音放大年夜的各类缘故原由

噪音放大年夜缘故原由➀ 与其他元件打仗

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打仗,则电感器的微小振动将会被放大年夜,从而会听到啸叫。

噪音放大年夜缘故原由➁ 漏磁通导致对周边磁性体孕育发生感化

当电感器相近存在樊篱罩等磁性体时,磁性体会因电感器漏磁通影响孕育发生振动,从发生啸叫。

噪音放大年夜缘故原由➂ 与包括基板在内的组件整体固有振动数同等

平日环境下,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础不会被辨觉得啸叫。但电感器由多个部件组合而成,且贴装于基板上时,将会孕育发生多小我耳可听频率的固有振动数,该振动放大年夜后便会形成啸叫。同时,若与组件整体的多个固有振动数雷同等时,在安装至组件中之后有可能会发生啸叫。

图8所示为,经由过程运用了FEM(有限元法)的谋略机模拟器对贴装有功率电感器的基板振动环境进行阐发的示例。所应用的阐发模型中,功率电感器设置设置设备摆设摆设于基板(FR4)中央,并对基板长边2面进行了固定。

一样平常环境下,布局体发生共振的固有值(固有振动数)拥有多个,与此响应,会有各类各样的振动模式。在该"功率电感器+基板"的阐发模型中,跟着频率的前进,各固有振动数也会呈现各类各样的振动模式。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。此中,1次模式的振动频率与功率电感器单体的振动频率基真相同。但值得留意的是,Z偏向(高度偏向)振动较为显明的2次模式在功率电感器单体的环境下呈现了较高的频率,但固定于基板上后呈现了极低的频率。

《阐发模型》功率电感器设置设置设备摆设摆设于基板(FR4)中央。

界限前提: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:经由过程谋略机模拟器对"功率电感器+基板"的振动环境进行阐发的示例

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础的对策。

但以节能等为目的的间歇事情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,请考试测验以下静音化对策。

重点2:周围不放置磁性体

不在电感器相近放置可能受漏磁通影响的磁性体(樊篱罩等)。不得已必要靠近时,则应应用漏磁通较少的樊篱型(闭合磁路布局)的电感器,同时还应留意放置偏向。

重点3:错开固有振动数

无意偶尔通同伴开固有振动数或前进振动数可低落啸叫。例如,经由过程变化电感器外形、种类、结构、基板紧固等前提,包孕基板的组件整体固有振动数将会发生变更。此外,啸叫常见于7mm尺寸以上的大年夜型功率电感器中。经由过程采纳5mm以下的小型功率电感器,固有振动数将会前进,从而可低落啸叫。

重点4:置换为金属一体成型型

如上所述,在全樊篱型功率电感器中,鼓芯与樊篱磁芯会因磁性互相吸引,从而在间隙部位会发生啸叫。同时,在无樊篱型功率电感器中,漏磁通引起的电线振动会导致孕育发生啸叫。

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办理规划。这是经由过程在软磁性金属磁粉中嵌入空心线圈落后行一体成型的功率电感器。因为没有间隙,是以磁芯之间不会互相吸引,同时,因为固定线圈时使其与磁性体形成一体化,是以还可避免因磁通造成绕组振动的问题。不仅如斯,TDK的产品还采纳了磁致伸缩较小的金属磁性材料,是以可抑制因磁致伸缩导致的振动,经由过程置换无樊篱型或全樊篱型产品可有望低落啸叫。

全樊篱型与金属一体型的噪音对照

以下将全樊篱型与半樊篱型功率电感器(TDK产品、约6mm尺寸),以及全樊篱型与金属一体成型型功率电感器(TDK产品、约12mm尺寸)作为丈量样本,对噪音的发生环境进行了查询造访。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丈量样本通电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,对照全樊篱型与半樊篱型后可发明,声压等级会因频率而有所不合。

对照全樊篱型与金属一体成型型产品时,此中的差异较为显明。全樊篱型中,在大年夜范围的频带内孕育发生有30~50dB阁下水平的噪音。而在金属一体成型型中,在大年夜范围频带内,其与背景噪音处于一致低的水平,纵然在峰值部位,其与全樊篱型比拟也抑制了大年夜约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:种种功率电感器的噪音评估示例

滥觞:TDK

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