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电感为什么会啸叫?有效对策有哪些?

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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"这种现象称为噪声"啸叫"。

造成这种现象的原因可能是电容器电感器和其他无源元件,电容器和电感器的原理不同,特别是电感器的原因,非常复杂。

本文介绍了功率电感嚎叫的原因和有效对策。

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)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? 可能的原因有几个,首先可能的是以节省电池电力等为目的,让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。

调光的方法有很多,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的范围,此时功率电感器将会发生啸叫。

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。

电感器可以使直流电流顺利流动,而对于交流电流等变化的电流,电势可以通过自感应向防止变化的方向产生,并发挥电阻的作用。此时,电感器将电能转换为磁能,积累并在转换为电能后释放。能量的大小与电感器的电感值成正比。

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。 ? 磁芯磁致伸缩(磁应变) ? 磁铁磁化导致相互吸引 ? 绕组振动是由漏磁引起的 ? 接触其它元件 ? 漏磁导致对周围磁体的影响 ? 与包括基板在内的组件整体固有振动数一致 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"。以铁氧体等磁性体为磁芯的电感器中,绕组所产生的交流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)

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

在有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。但其他问题会发生在无屏蔽产品中。由于无屏蔽产品为开放式磁路结构,漏磁通会起到绕粗的作用。根据佛来明左手定则,力会作用于绕组,因为电流会流过绕组。因此,当交流电流流过绕组时,绕组本身会发生振动,导致咆哮(图7)。

图7:磁通导致绕组振动

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