功率電感的嘯叫原因以對(duì)策

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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(dòng)以及噪音擴(kuò)大的機(jī)制

當(dāng)流過(guò)人耳可聽(tīng)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。

圖4：導(dǎo)致產(chǎn)生功率電感器嘯叫的振動(dòng)原因以及擴(kuò)大原因 ? 產(chǎn)生振動(dòng)的各種原因與作用

振動(dòng)原因1：磁性體磁芯磁致伸縮（磁應(yīng)變）

對(duì)磁性體施加磁場(chǎng)使其磁化后，其外形會(huì)發(fā)生細(xì)微變化。該現(xiàn)象稱(chēng)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(chǎng)會(huì)使磁性體磁芯發(fā)生伸縮，有時(shí)會(huì)檢測(cè)到其振動(dòng)聲。 ?

圖5：磁性體磁致伸縮（磁應(yīng)變）作用 ? 磁性體是稱(chēng)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(gè)自發(fā)磁化朝向恒定的微小磁鐵，但磁性體整體卻不會(huì)表現(xiàn)出磁鐵的特性。這是因?yàn)?，?gòu)成磁性體的多個(gè)磁疇，其排列使自發(fā)磁化相互抵消，因此從表面上來(lái)看處于消磁狀態(tài)。
從外部對(duì)處于該消磁狀態(tài)的磁性體施加磁場(chǎng)時(shí)，各個(gè)磁疇會(huì)將自發(fā)磁化朝向統(tǒng)一為外部磁場(chǎng)方向，因此磁疇范圍會(huì)逐漸發(fā)生變化。該現(xiàn)象由磁疇間邊界——磁壁的移動(dòng)所引起。由此，隨著磁化的進(jìn)行，處于優(yōu)勢(shì)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(chǎng)方向（飽和磁化狀態(tài)）。該磁化過(guò)程中，在原子水平下會(huì)發(fā)生微小的位置變化，而在宏觀水平下，則會(huì)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(wàn)分之1～100萬(wàn)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(guò)電流，當(dāng)施加所產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)時(shí)，磁性體將會(huì)反復(fù)伸縮，并產(chǎn)生振動(dòng)。為此，在功率電感器中，無(wú)法完全消除磁致伸縮所導(dǎo)致的磁性體磁芯振動(dòng)。功率電感器單體振動(dòng)水平雖小，但當(dāng)貼裝至基板上時(shí)，若其振動(dòng)與基板的固有振動(dòng)數(shù)一致，則振動(dòng)將會(huì)被放大，從而會(huì)聽(tīng)到嘯叫。

振動(dòng)原因2：磁性體磁芯磁化導(dǎo)致相互吸引

磁性體被外部磁場(chǎng)磁化時(shí)將會(huì)表現(xiàn)出磁鐵性質(zhì)，從而與周?chē)判泽w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(shí)會(huì)從該處發(fā)出。繞組中流過(guò)交流電流時(shí)，因產(chǎn)生的磁場(chǎng)而被磁化的鼓芯與屏蔽磁芯將會(huì)因磁力而相互吸引，若該振動(dòng)在人耳可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)時(shí)，則會(huì)聽(tīng)到噪音。
鼓芯與屏蔽磁芯之間的間隙通過(guò)粘接劑進(jìn)行封閉，但為了防止因應(yīng)力產(chǎn)生開(kāi)裂，因此不會(huì)使用較硬的材料，從而無(wú)法完全抑制因相互吸引所導(dǎo)致的振動(dòng)。 ?

圖6：鼓芯與屏蔽磁芯相互吸引導(dǎo)致嘯叫 ? 振動(dòng)原因3：漏磁通導(dǎo)致繞組振動(dòng)

不帶有屏蔽磁芯的無(wú)屏蔽型功率電感器中，不會(huì)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(wú)屏蔽型產(chǎn)品中會(huì)發(fā)生其他問(wèn)題。由于無(wú)屏蔽型產(chǎn)品為開(kāi)放磁路結(jié)構(gòu)，因此漏磁通會(huì)對(duì)繞粗產(chǎn)生作用。由于繞組中會(huì)流過(guò)電流，因此根據(jù)佛來(lái)明左手定則，力會(huì)作用于繞組上。為此，當(dāng)交流電流流過(guò)繞組時(shí)，繞組本身會(huì)發(fā)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生嘯叫（圖7）。 ?

圖7：磁通導(dǎo)致繞組振動(dòng) ? 噪音放大的各種原因

噪音放大原因1：與其他元件接觸

在高密度貼裝有多個(gè)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(dòng)將會(huì)被放大，從而會(huì)聽(tīng)到嘯叫。

噪音放大原因2：漏磁通導(dǎo)致對(duì)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(shí)，磁性體會(huì)因電感器漏磁通影響產(chǎn)生振動(dòng)，從發(fā)生嘯叫。

噪音放大原因3：與包括基板在內(nèi)的組件整體固有振動(dòng)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(dòng)基本不會(huì)被識(shí)別為嘯叫。但電感器由多個(gè)部件組合而成，且貼裝于基板上時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生多個(gè)人耳可聽(tīng)頻率的固有振動(dòng)數(shù)，該振動(dòng)放大后便會(huì)形成嘯叫。同時(shí)，若與組件整體的多個(gè)固有振動(dòng)數(shù)相一致時(shí)，在安裝至組件中之后有可能會(huì)發(fā)生嘯叫。
圖8所示為，通過(guò)運(yùn)用了FEM(有限元法)的計(jì)算機(jī)模擬器對(duì)貼裝有功率電感器的基板振動(dòng)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(duì)基板長(zhǎng)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(dòng)數(shù)）擁有多個(gè)，與此相應(yīng)，會(huì)有各種各樣的振動(dòng)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(dòng)數(shù)也會(huì)出現(xiàn)各種各樣的振動(dòng)模式。圖8所示的1次、2次、5次、18次振動(dòng)模式中，功率電感器可能是振動(dòng)源。其中，1次模式的振動(dòng)頻率與功率電感器單體的振動(dòng)頻率基本相同。但值得注意的是，Z方向(高度方向)振動(dòng)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(zhǎng)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(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
功率電感器的嘯叫對(duì)策

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)。

重點(diǎn)1：避免流過(guò)人耳可聽(tīng)頻率電流

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

重點(diǎn)2：周?chē)环胖么判泽w

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。

重點(diǎn)3：錯(cuò)開(kāi)固有振動(dòng)數(shù)

有時(shí)通過(guò)錯(cuò)開(kāi)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(lèi)、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(jiàn)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。

重點(diǎn)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(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(lèi)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。 ? 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(cè)量樣本，對(duì)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(duì)安裝于基板上的測(cè)量樣本通電60秒，并以人耳可聽(tīng)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(jí)會(huì)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(shí)，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(jiàn)，置換為金屬一體成型型是有效的對(duì)策。 ?

圖9：各類(lèi)功率電感器的噪音評(píng)估示例

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編輯：黃飛

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