当笔记本电脑、平板电脑、智能手机、电视和车载电子设备运行时，有时会听到"叽"的噪音。该现象称为"啸叫"，这种现象的原因可能是电容器、电感器等无源元件。电容器的原理与电感器不同，尤其是电感器的原因多种多样，非常复杂。本文中将就DC-DC转换器等电源电路的主要元件——功率电感器的啸叫原因以及有效对策进行介绍。
声波是在空气中传播的弹性波，人的听觉可以听到大约20~20kHz频率范围的"声音"。在DC-DC在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和脉冲波时，电感器主体会振动，称为"线圈噪音"，有时会被听成咆哮(图1)。
图1：功率电感器的啸叫机制
随着电子设备功能的不断增强，DC-DC转换器的功率电感器也成为噪声源之一。DC-DC转换器通过开关器件ON/OFF，脉冲电流由此产生。ON时间长度(脉宽)可获得电压恒定的稳定直流电流。这种方法被称为PWM(脉冲调幅)，其作为DC-DC广泛使用转换器的主流模式。 但DC-DC转换器开关频率高，达到100kHz～数MHz，因为频率振动超出了听力范围，所以不会感觉到噪音。那么，为什么呢？DC-DC转换器的功率电感器会发出"叽"的啸叫呢？ 有几个可能的原因。首先，为了节是为了节省电池功率DC-DC转换器可能间歇工作DC-DC转换器从PWM方式切换为PFM(脉冲调频)在频率可变模式下运行。图2显示PWM方式与PFM方法的基本原理。
图2：PWM(脉冲调幅)方法与PFM(脉冲调频)方法
为了节能，引进了移动设备液晶显示器背光自动调光功能DC-DC转换器间歇工作。这是一个根据使用环境照明自动调光背光亮度，从而延长电池使用时间的系统。
该调光有多种方式，其中，控制LED亮灯时间和熄灯时间长度的方式称为PWM调光。PWM调光系统的优点是调光引起的色度变化较小，主要用于笔记本电脑和平板电脑的背光。 PWM调光通过200Hz较低频率左右DC-DC转换器间歇工作，亮度通过反复亮灯/熄灭来调节。在恒定熄灭的恒定循环中，调长灯时间会变亮，调短时间会变暗。在200Hz在左右间歇工作中，眼睛基本上不会发现背光频闪。然而，由于它处于人耳可听频率中，当安装在基板上的功率电感器通过间歇工作电流时，电感器主体会因频率的影响而振动，导致咆哮。
DC-DC与开关周期(开关设备)相比，在转换器中ON时间 OFF时间)的ON时间比称为空比。LED进行PWM调光时，亮灯时间/(亮灯时间＋熄灯时间)称为占空比，并表示亮度。 PWM方式DC-DC转换器的特点是，在普通工作中，可达80左右~90%以上。但在待机时间等轻负荷下，效率会严重降低。开关造成的损失与频率成正比。因此，恒定开关在轻负荷下会丢失，从而降低效率。 因此，为了改善这一问题，在轻负荷下自动使用PWM方式替换为PFM(脉冲调频)DC-DC转换器。PFM方法是配合负荷减少，固定ON在时间条件下，控制开关频率。由于ON时间是恒定的，所以通过延长OFF时间，开关频率会逐渐降低。由于开关损耗与频率成正比，在轻负荷下可以有效降低频率。但是减少后的频率会进入人耳可听的20左右~20kHz此时，功率电感器会咆哮。 为了节省电池功率，笔记本电脑和其他移动设备使用了各种节能技术，这可能会导致电感器咆哮。例如，为了考虑低功耗和处理能力，笔记本电脑CPU周期性变化消耗电流的模式，当周期在人耳可听频率范围内时，功率电感器可能会因此而咆哮。 电感器可使直流电流顺利流过，而对于交流电流等发生变化的电流，则通过自感应作用，朝阻止发生变化的方向产生电动势，发挥电阻的作用。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。
功率电感器又称功率线圈和功率扼流圈DC-DC电源电路中的主要部件，如转换器，通过与电容器协调，使开关部件ON/OFF高频脉冲更加平滑。
由于电源电路的功率电感器会流过大电流，绕组型是主流产品。这是因为高电感值可以通过在磁芯中使用高导磁性磁体（铁氧体或软磁性金属）来实现，从而使产品更小。图3显示了使用功率电感器DC-DC基本电路转换器(非绝缘和斩波)。
图3：DC-DC转换器(非绝缘型和斩波型)基本电路
当流过人耳可听范围频率的电流时，功率电感器主体的振动会引起咆哮。振动原因和噪声原因可能如下。 总结了功率电感器咆哮的振动原因和噪声扩大原因，如图4所示。以下是这些原因的主要内容。
图4：功率电感器咆哮的振动和扩大
磁场磁化磁体后，其形状会发生细微的变化。这种现象被称为"磁致伸缩"或"磁应变"。在以铁氧体等磁体为磁芯的电感器中，绕组产生的交流磁场会膨胀磁芯，有时会检测到其振动声。
图5：磁性体磁致伸缩(磁应变)
磁体是一种小范围的磁体（图5）。磁体内的原子磁矩朝向相同，因此磁体是一种自发磁化朝向恒定的小磁体，但整个磁体不会显示磁体的特性。这是因为构成磁体的多个磁体的排列使自发磁化相互抵消，因此从表面上看处于消磁状态。
当磁场从外部应用于消磁状态的磁体时，每个磁类都会将自发磁化的方向统一为外部磁场，因此磁类的范围会逐渐改变。这种现象是由磁类间边界-磁壁的移动引起的。因此，随着磁化的进行，优势磁类逐渐扩大其范围，最终成为单一磁类，并朝向外部磁场(饱和磁化状态)。在磁化过程中，在原子水平下会发生微小的位置变化，而在宏观水平下，则表现为磁致伸缩，即磁体的形状变化。
磁膨胀引起的形状变化极小，约为原尺寸的1万分之一~100万分之一，但如图5所示，电流在磁体上绕线圈流动。当施加产生的交流磁场时，磁体会反复膨胀并振动。因此，在功率电感器中，磁致伸缩引起的磁芯振动无法完全消除。虽然功率电感器的单体振动水平很小，但当安装在基板上时，如果振动与基板的固有振动数一致，振动就会放大，从而听到咆哮。 当磁体被外部磁场磁化时，它会表现出磁性，从而吸引周围的磁体。图6为全屏蔽功率电感器示例。这是闭合磁路结构的功率电感器，但鼓芯与屏蔽磁芯(环形磁芯)之间有间隙，噪音有时会从这里发出。当交流电流流过绕组时，磁化的鼓芯和屏蔽的磁场会被磁力吸引。如果振动在人耳可听频率范围内，就会听到噪音。 鼓芯与屏蔽芯之间的间隙通过粘合剂密封，但为了防止应力开裂，不使用硬材料，不能完全抑制相互吸引引引起的振动。
图6:鼓芯和屏蔽芯相互吸引，导致咆哮
无屏蔽磁芯的无屏蔽功率电感器不会因上述鼓芯与屏蔽磁芯磁化引起的相互吸引而咆哮。但是，在无屏蔽产品中还会出现其他问题。由于无屏蔽产品为开放式磁路结构，漏磁会对绕粗产生影响。因为电流会流过绕组，所以据佛来明左手定则，力会作用于绕组上。为此，当交流电流流过绕组时，绕组本身会发生振动，从而产生啸叫（图7）。
图7：磁通导致绕组振动
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接触，则电感器的微小振动将会被放大，从而会听到啸叫。 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。 通常情况下，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一致时，在安装至组件中之后有可能会发生啸叫。
图8所示为，通过运用了FEM(有限元法)的计算机模拟器对贴装有功率电感器的基板振动情况进行分析的示例。所使用的分析模型中，功率电感器配置于基板（FR4）中央，并对基板长边2面进行了固定。
一般情况下，结构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"功率电感器＋基板"的分析模型中，随着频率的提高，各固有振动数也会出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。其中，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。但值得注意的是，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况下出现了较高的频率，但固定于基板上后出现了极低的频率。
《分析模型》功率电感器配置于基板（FR4）中央。 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：通过计算机模拟器对"功率电感器+基板"的振动情况进行分析的示例
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。 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，请尝试以下静音化对策。 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)。不得已需要接近时，则应使用漏磁通较少的屏蔽型(闭合磁路结构)的电感器，同时还应注意放置方向。 有时通过错开固有振动数或提高振动数可降低啸叫。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化。此外，啸叫常见于7mm尺寸以上的大型功率电感器中。通过采用5mm以下的小型功率电感器，固有振动数将会提高，从而可降低啸叫。 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解决方案。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的产品还采用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低啸叫。 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)作为测量样本，对噪音的发生情况进行了调查。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测量样本通电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发现，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，其中的差异较为显著。全屏蔽型中，在大范围的频带内产生有30~50dB左右水平的噪音。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，即使在峰值部位，其与全屏蔽型相比也抑制了大约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：各类功率电感器的噪音评估示例
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”，那就是把客户的耳朵塞起来(*￣︶￣)。
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「有用就扩散」
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