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电感为什么会啸叫?漫画+动图,看完就知道了!

返回列表文章来源: 作者: 浏览:- 发表时间:2020-01-14 09:45 【
在笔记本电脑、平板电脑、智能手机、电视机以及车载电子设备等运行时,有时会听到"叽"的噪音。该现象称为"啸叫",导致该现象出现的原因可能在于电容器、电感器等无源元件。电容器与电感器的发生啸叫的原理不同,尤其是电感器的啸叫,其原因多种多样,十分复杂。


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。
功率电感器啸叫原因
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"声音"。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交流电流以及脉冲波时,电感器主体会发生振动,该现象称为"线圈噪音",有时也会被听成啸叫现象(图1)。






DC-DC转换器中,相对于开关周期(开关器件的ON时间+OFF时间)的ON时间比称为占空比。对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。
3. 频率可变模式DC-DC转换器导致的啸叫

PWM方式DC-DC转换器的特点在于,在普通工作中,其效率可高达大约80~90%以上。但待机时间等轻负荷情况下,效率将会严重降低。开关造成的损耗与频率成正比。为此,在轻负荷情况下会发生恒定开关损耗,因此会使效率降低。

因此,为了改善该问题,在轻负荷情况下使用自动将PWM方式替换为PFM(脉冲调频)方式的DC-DC转换器。PFM方式是配合负荷减轻,在固定ON时间的情况下,对开关频率进行控制的方式。由于ON时间恒定,因此通过延长OFF时间,开关频率将会渐渐降低。由于开关损耗与频率成正比,因此通过降低频率可在轻负荷情况下实现高效化。但降低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,笔记本电脑等移动设备中运用有各类省电技术,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,笔记本电脑CPU中带有周期性变更消耗电流的模式,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作用

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。
功率电感器也被称为功率线圈、功率扼流圈,是用于DC-DC转换器等开关方式电源电路中的主要元件,通过与电容器进行协调,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。这是因为,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所示为使用功率电感器的DC-DC转换器(非绝缘型及斩波方式)基本电路。
图3:DC-DC转换器(非绝缘型及斩波方式)基本电路

图4:导致产生功率电感器啸叫的振动原因以及扩大原因
产生振动的各种原因与作用

振动原因?: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,其外形会发生细微变化。该现象称为"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。
磁性体是称为磁畴的小范围的集合体(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微小磁铁,但磁性体整体却不会表现出磁铁的特性。这是因为,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。

磁致伸缩导致的外形变化极其微小,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,当施加所产生的交流磁场时,磁性体将会反复伸缩,并产生振动。为此,在功率电感器中,无法完全消除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一致,则振动将会被放大,从而会听到啸叫。

振动原因?: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质,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。此为闭合磁路结构的功率电感器,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。绕组中流过交流电流时,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,因此不会使用较硬的材料,从而无法完全抑制因相互吸引所导致的振动。



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。



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,请尝试以下静音化对策。

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。

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。

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。

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。

图9:各类功率电感器的噪音评估示例





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