分析DC-DC轉(zhuǎn)換器等電源電路的主要元件

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"嘯叫"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。

分享本文，分析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。

功率電感器嘯叫原因

一、間歇工作、頻率可變模式、負(fù)荷變動(dòng)等可能導(dǎo)致人耳可聽頻率振動(dòng)

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(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，功率電感器嘯叫機(jī)制如下圖所示。

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(shí)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(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。下圖所示為PWM(脈沖調(diào)幅)方式與PFM(脈沖調(diào)頻)方式的基本原理。

二、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(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(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(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。

占空比：

DC-DC轉(zhuǎn)換器中，相對(duì)于開關(guān)周期(開關(guān)器件的ON時(shí)間+OFF時(shí)間)的ON時(shí)間比稱為占空比。對(duì)LED進(jìn)行PWM調(diào)光時(shí)，亮燈時(shí)間/(亮燈時(shí)間＋熄燈時(shí)間)稱為占空比，并表示亮度。

三、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(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，因此通過延長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。

四、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(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。

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(duì)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(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，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(huì)流過大電流，因此繞組型為主流產(chǎn)品。這是因?yàn)?，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(shí)現(xiàn)高電感值，從而可使產(chǎn)品更為小型化。下圖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。

主體振動(dòng)及噪聲擴(kuò)大的機(jī)制

當(dāng)流過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：

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)大原因如下圖進(jìn)行了總結(jié)。以下對(duì)這些原因的主要內(nèi)容進(jìn)行說明。

產(chǎn)生振動(dòng)的各種原因與作用

一、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。

磁性體是稱為磁疇的小范圍的集合體，如上圖所示。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)椋瑯?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(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)聽到嘯叫。

二、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)，從而與周圍磁性體相互吸引。下圖所示為全屏蔽型功率電感器示例，展示鼓芯與屏蔽磁芯相互吸引導(dǎo)致的嘯叫。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)在人耳可聽頻率范圍內(nèi)時(shí)，則會(huì)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(huì)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(dòng)。

三、漏磁通導(dǎo)致繞組振動(dòng)

不帶有屏蔽磁芯的無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。但在無屏蔽型產(chǎn)品中會(huì)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(huì)對(duì)繞粗產(chǎn)生作用。由于繞組中會(huì)流過電流，因此根據(jù)佛來明左手定則，力會(huì)作用于繞組上。為此，當(dāng)交流電流流過繞組時(shí)，繞組本身會(huì)發(fā)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生嘯叫。磁通導(dǎo)致繞組振動(dòng)，如下圖所示。

噪聲放大的各種原因

一、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)聽到嘯叫。

二、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。

三、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。

下圖是通過計(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。通過運(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。下圖所示的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：固定基板長邊2面。

1次模式：2034Hz~

2次模式：2262Hz~

5次模式：4048Hz~

18次模式：16226Hz~

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)。

一、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(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。

二、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(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。

三、錯(cuò)開固有振動(dòng)數(shù)

有時(shí)通過錯(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。

四、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(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)的問題。

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