干货 | 深度理解电源电路中的电感啸叫

功率电感器啸叫缘故原由

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\"大众声音\"大众。
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互换电流以及脉冲波时，电感器主体会发生振动，该征象称为\公众线圈噪音\公众，有时也会被听成啸叫征象(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。
通过掌握ON的韶光长度(脉宽)，可得到电压恒定的稳定直流电流。
该办法称为PWM(脉冲调幅)，其作为DC-DC转换器的主流办法得到广泛利用。

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\"大众叽\公众的啸叫呢？

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转换器进行间歇工作的情形，或将DC-DC转换器从PWM办法切换为PFM(脉冲调频)办法，在频率可变模式下运行的情形。
图2所示为PWM办法与PFM办法的基本事理。

图2：PWM(脉冲调幅)办法与PFM(脉冲调频)办法

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。
这是根据利用环境照度，对背光亮度进行自动调光，从而延长电池利用韶光的系统。

该调光有多种办法，个中，掌握LED亮灯韶光及熄灯韶光长度的办法称为PWM调光。
PWM办法调光系统的优点在于，调光引起的色度变革较少，其紧张用于条记本电脑以及平板电脑等的背光中。

PWM调光通过200Hz旁边的较低频率使DC-DC转换器进行间歇工作，并通过反复进行亮灯/熄灭操作来调度亮度。
在亮灯/熄灭的恒定循环中，调长亮灯韶光时将会变亮，调短时则会变暗。
在200Hz旁边的间歇工作中，眼睛基本上不会察觉背光频闪情形。
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，从而导致涌现啸叫。

注释：占空比

DC-DC转换器中，相对付开关周期(开关器件的ON韶光+OFF韶光)的ON韶光比称为占空比。
对LED进行PWM调光时，亮灯韶光/(亮灯韶光＋熄灯韶光)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办法DC-DC转换器的特点在于，在普通事情中，其效率可高达大约80~90%以上。
但待机韶光等轻负荷情形下，效率将会严重降落。
开关造成的损耗与频率成正比。
为此，在轻负荷情形下会发生恒定开关损耗，因此会使效率降落。

因此，为了改进该问题，在轻负荷情形下利用自动将PWM办法更换为PFM(脉冲调频)办法的DC-DC转换器。
PFM办法是合营负荷减轻，在固定ON韶光的情形下，对开关频率进行掌握的办法。
由于ON韶光恒定，因此通过延长OFF韶光，开关频率将会逐渐降落。
由于开关损耗与频率成正比，因此通过降落频率可在轻负荷情形下实现高效化。
但降落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，条记本电脑等移动设备中利用有各种省电技能，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，条记本电脑CPU中带有周期性变更花费电流的模式，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浸染

电感器可使直流电流顺利流过，而对付互换电流等发生变革的电流，则通过自感应浸染，朝阻挡发生变革的方向产生电动势，发挥电阻的浸染。
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转换器等开关办法电源电路中的紧张元件，通过与电容器进行折衷，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。
这是由于，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所示为利用功率电感器的DC-DC转换器(非绝缘型及斩波办法)基本电路。

图3：DC-DC转换器(非绝缘型及斩波办法)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）浸染

➁磁性体磁芯磁化导致相互吸引

➂漏磁通导致绕组振动

噪音放大缘故原由

➀与其他元件打仗

➁漏磁通导致对周边磁性体产生浸染

➂与包括基板在内的组件整体固有振动数同等

导致产生功率电感器啸叫的振动缘故原由以及噪音扩大缘故原由如图4进行了总结。
以下对这些缘故原由的紧张内容进行解释。

图4：导致产生功率电感器啸叫的振动缘故原由以及扩大缘故原由

产生振动的各种缘故原由与浸染

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革。
该征象称为\"大众磁致伸缩\"大众或\公众磁应变\"大众。
以铁氧体等磁性体为磁芯的电感器中，绕组所产生的互换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）浸染

磁性体是称为磁畴的小范围的凑集体（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眇小磁铁，但磁性体整体却不会表现出磁铁的特性。
这是由于，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革。
该征象由磁畴间边界——磁壁的移动所引起。
由此，随着磁化的进行，处于上风的磁畴逐渐扩大其范围，终极成为单一磁畴，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眇小的位置变革，而在宏不雅观水平下，则会表现为磁致伸缩，即磁性体的形状变革。

磁致伸缩导致的形状变革极其眇小，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，当施加所产生的互换磁场时，磁性体将会反复伸缩，并产生振动。
为此，在功率电感器中，无法完备肃清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，从而会听到啸叫。

振动缘故原由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子，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。
此为闭合磁路构造的功率电感器，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。
绕组中流过互换电流时，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，因此不会利用较硬的材料，从而无法完备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勾引致啸叫

振动缘故原由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构造，因此漏磁通会对绕粗产生浸染。
由于绕组中会流过电流，因此根据佛来明左手定则，力会浸染于绕组上。
为此，当互换电流流过绕组时，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

噪音放大的各种缘故原由

噪音放大缘故原由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，则电感器的眇小振动将会被放大，从而会听到啸叫。

噪音放大缘故原由➁ 漏磁通导致对周边磁性体产生浸染

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。

噪音放大缘故原由➂ 与包括基板在内的组件整体固有振动数同等

常日情形下，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，通过利用了FEM(有限元法)的打算机仿照器对贴装有功率电感器的基板振动情形进行剖析的示例。
所利用的剖析模型中，功率电感器配置于基板（FR4）中心，并对基板长边2面进行了固定。

一样平常情形下，构造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\"大众功率电感器＋基板\公众的剖析模型中，随着频率的提高，各固有振动数也会涌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。
个中，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。
但值得把稳的是，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形下涌现了较高的频率，但固定于基板上后涌现了极低的频率。

《剖析模型》功率电感器配置于基板（FR4）中心。
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：通过打算机仿照器对\公众功率电感器+基板\"大众的振动情形进行剖析的示例

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

不在电感器附近放置可能受漏磁通影响的磁性体(屏蔽罩等)。
不得已须要靠近时，则应利用漏磁通较少的屏蔽型(闭合磁路构造)的电感器，同时还应把稳放置方向。

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落啸叫。
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革。
此外，啸叫常见于7mm尺寸以上的大型功率电感器中。
通过采取5mm以下的小型功率电感器，固有振动数将会提高，从而可降落啸叫。

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办理方案。
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的产品还采取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落啸叫。

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)作为丈量样本，对噪音的发生情形进行了调查。
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，比较全屏蔽型与半屏蔽型后可创造，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，个中的差异较为显著。
全屏蔽型中，在大范围的频带内产生有30~50dB旁边水平的噪音。
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，纵然在峰值部位，其与全屏蔽型比较也抑制了大约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：各种功率电感器的噪音评估示例

漫画电感器

资料来源：TDK

当然，还有最绝的方法，某位网友表示这个方法“百试百灵”，那便是把客户的耳朵塞起来

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