間歇工作、頻率可變模式、負荷變動等可能導致人耳可聽頻率振動

 

聲波是在空氣中傳播的彈性波，人的聽覺可聽到大約20～20kHz頻率範圍的"聲音"。在DC-DC轉換器的功率電感器中
，當流過人耳可聽範圍頻率的交流電流以及脈衝波時
，電感器主體會發生振動
，該現象稱為"線圈噪音"
，有時也會被聽成嘯叫現象(圖1)。

 

圖1：功率電感器嘯叫機製

 

隨著電子設備的功能不斷強化，DC-DC轉換器的功率電感器也成為了噪音發生源之一。DC-DC轉換器通過開關器件進行ON/OFF，由此產生脈衝狀電流。通過控製ON的時間長度(脈寬)，可得到電壓恒定的穩定直流電流。該方式稱為PWM(脈衝調幅)，其作為DC-DC轉換器的主流方式獲得廣泛使用。

 

但DC-DC轉換器的開關頻率較高，達到數100kHz～數MHz，由於該頻率振動超出了人耳可聽範圍，因此不會感受到噪音。那麼

，為什麼DC-DC轉換器的功率電感器會發出"嘰"的嘯叫呢？

 

可能的原因有幾個，首先可能的是以節省電池電力等為目的，讓DC-DC轉換器進行間歇工作的情況，或將DC-DC轉換器從PWM方式切換為PFM(脈衝調頻)方式，在頻率可變模式下運行的情況。圖2所示為PWM方式與PFM方式的基本原理。

 

圖2：PWM(脈衝調幅)方式與PFM(脈衝調頻)方式

 

 

出於節能等目的
，移動設備液晶顯示器背光自動調光功能等引進了DC-DC轉換器間歇工作。這是根據使用環境照度，對背光亮度進行自動調光，從而延長電池使用時間的係統。

 

該調光有多種方式，其中
，控製LED亮燈時間及熄燈時間長度的方式稱為PWM調光。PWM方式調光係統的優點在於，調光引起的色度變化較少，其主要用於筆記本電腦以及平板電腦等的背光中。

 

PWM調光通過200Hz左右的較低頻率使DC-DC轉換器進行間歇工作，並通過反複進行亮燈/熄滅操作來調整亮度。在亮燈/熄滅的恒定循環中，調長亮燈時間時將會變亮
，調短時則會變暗。在200Hz左(zuo)右(you)的(de)間(jian)歇(xie)工(gong)作(zuo)中(zhong)，眼(yan)睛(jing)基(ji)本(ben)上(shang)不(bu)會(hui)察(cha)覺(jiao)背(bei)光(guang)頻(pin)閃(shan)情(qing)況(kuang)。但(dan)由(you)於(yu)其(qi)處(chu)於(yu)人(ren)耳(er)可(ke)聽(ting)頻(pin)率(lv)中(zhong)，因(yin)此(ci)當(dang)基(ji)板(ban)上(shang)貼(tie)裝(zhuang)的(de)功(gong)率(lv)電(dian)感(gan)器(qi)中(zhong)流(liu)過(guo)間(jian)歇(xie)工(gong)作(zuo)的(de)電(dian)流(liu)時(shi)
，電(dian)感(gan)器(qi)主(zhu)體(ti)將(jiang)會(hui)因(yin)頻(pin)率(lv)影(ying)響(xiang)而(er)發(fa)生(sheng)振(zhen)動(dong)
，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)出(chu)現(xian)嘯(xiao)叫(jiao)。

注釋：占空比

 

DC-DC轉換器中

，相對於開關周期(開關器件的ON時間+OFF時間)的ON時間比稱為占空比。對LED進行PWM調光時，亮燈時間/(亮燈時間＋熄燈時間)稱為占空比
，並表示亮度。

 

 

PWM方式DC-DC轉換器的特點在於
，在普通工作中，其效率可高達大約80~90%以(yi)上(shang)。但(dan)待(dai)機(ji)時(shi)間(jian)等(deng)輕(qing)負(fu)荷(he)情(qing)況(kuang)下(xia)
，效(xiao)率(lv)將(jiang)會(hui)嚴(yan)重(zhong)降(jiang)低(di)。開(kai)關(guan)造(zao)成(cheng)的(de)損(sun)耗(hao)與(yu)頻(pin)率(lv)成(cheng)正(zheng)比(bi)。為(wei)此(ci)，在(zai)輕(qing)負(fu)荷(he)情(qing)況(kuang)下(xia)會(hui)發(fa)生(sheng)恒(heng)定(ding)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)，因(yin)此(ci)會(hui)使(shi)效(xiao)率(lv)降(jiang)低(di)。

 

因此
，為了改善該問題，在輕負荷情況下使用自動將PWM方式替換為PFM(脈衝調頻)方式的DC-DC轉換器。PFM方式是配合負荷減輕，在固定ON時間的情況下，對開關頻率進行控製的方式。由於ON時間恒定

，因此通過延長OFF時shi間jian
，開kai關guan頻pin率lv將jiang會hui漸jian漸jian降jiang低di。由you於yu開kai關guan損sun耗hao與yu頻pin率lv成cheng正zheng比bi，因yin此ci通tong過guo降jiang低di頻pin率lv可ke在zai輕qing負fu荷he情qing況kuang下xia實shi現xian高gao效xiao化hua。但dan降jiang低di後hou的de頻pin率lv將jiang會hui進jin入ru人ren耳er可ke聽ting的de約yue20~20kHz的範圍，此時功率電感器將會發生嘯叫。

 

 

chuyujieshengdianchidianlidemude，bijibendiannaodengyidongshebeizhongyunyongyougeleishengdianjishu
，weicikenenghuidaozhidianganqifashengxiaojiao。liru，chuyujiangudihaodianliangyijichulinenglidemude
，bijibendiannaoCPU中帶有周期性變更消耗電流的模式，當該周期處於人耳可聽頻率範圍時，功率電感器可能會因該影響而產生嘯叫。

 

注釋：DC-DC轉換器中功率電感器的作用

 

dianganqikeshizhiliudianliushunliliuguo
，erduiyujiaoliudianliudengfashengbianhuadedianliu，zetongguoziganyingzuoyong，chaozuzhifashengbianhuadefangxiangchanshengdiandongshi，fahuidianzudezuoyong。cishi，dianganqijiangdiannengzhuanhuanweicineng
，jiangqijizanqilai，bingzaizhuanhuanchengdiannenghoujiangqifangchu。gainengliangdedaxiaoyudianganqidianganzhichengzhengbi。

 

功率電感器也被稱為功率線圈、功率扼流圈，是用於DC-DC轉換器等開關方式電源電路中的主要元件
，通過與電容器進行協調，使開關器件ON/OFF所產生的高頻脈衝更為平滑化。

 

由於電源電路的功率電感器中會流過大電流
，因此繞組型為主流產品。這是因為，通過將高導磁率的磁性體（鐵氧體或軟磁性金屬）用於磁芯中，以較少巻數實現高電感值，從而可使產品更為小型化。圖3所示為使用功率電感器的DC-DC轉換器(非絕緣型及斬波方式)基本電路。

 

圖3：DC-DC轉換器(非絕緣型及斬波方式)基本電路

 

 

當流過人耳可聽範圍頻率的電流時，功率電感器主體發生的振動會引起嘯叫。其振動原因以及噪音原因有以下幾種可能。

 

振動原因

1.磁性體磁芯磁致伸縮（磁應變）作用

2.磁性體磁芯磁化導致相互吸引

3.漏磁通導致繞組振動

 

噪音放大原因

1.與其他元件接觸

2.漏磁通導致對周邊磁性體產生作用

3.與包括基板在內的組件整體固有振動數一致

 

導致產生功率電感器嘯叫的振動原因以及噪音擴大原因如圖4進行了總結。以下對這些原因的主要內容進行說明。

 

圖4：導致產生功率電感器嘯叫的振動原因以及擴大原因

 

 

振動原因➀：磁性體磁芯磁致伸縮（磁應變）

 

對磁性體施加磁場使其磁化後
，其外形會發生細微變化。該現象稱為"磁致伸縮"或"磁應變"。以鐵氧體等磁性體為磁芯的電感器中，繞組所產生的交流磁場會使磁性體磁芯發生伸縮，有時會檢測到其振動聲。

 

圖5：磁性體磁致伸縮（磁應變）作用

 

磁性體是稱為磁疇的小範圍的集合體（圖5）。磁ci疇chou內nei部bu的de原yuan子zi磁ci矩ju朝chao向xiang相xiang同tong，因yin此ci磁ci疇chou是shi一yi個ge自zi發fa磁ci化hua朝chao向xiang恒heng定ding的de微wei小xiao磁ci鐵tie，但dan磁ci性xing體ti整zheng體ti卻que不bu會hui表biao現xian出chu磁ci鐵tie的de特te性xing。這zhe是shi因yin為wei，構gou成cheng磁ci性xing體ti的de多duo個ge磁ci疇chou，其qi排pai列lie使shi自zi發fa磁ci化hua相xiang互hu抵di消xiao
，因yin此ci從cong表biao麵mian上shang來lai看kan處chu於yu消xiao磁ci狀zhuang態tai。

 

從(cong)外(wai)部(bu)對(dui)處(chu)於(yu)該(gai)消(xiao)磁(ci)狀(zhuang)態(tai)的(de)磁(ci)性(xing)體(ti)施(shi)加(jia)磁(ci)場(chang)時(shi)，各(ge)個(ge)磁(ci)疇(chou)會(hui)將(jiang)自(zi)發(fa)磁(ci)化(hua)朝(chao)向(xiang)統(tong)一(yi)為(wei)外(wai)部(bu)磁(ci)場(chang)方(fang)向(xiang)
，因(yin)此(ci)磁(ci)疇(chou)範(fan)圍(wei)會(hui)逐(zhu)漸(jian)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。該(gai)現(xian)象(xiang)由(you)磁(ci)疇(chou)間(jian)邊(bian)界(jie)——磁壁的移動所引起。由此，隨著磁化的進行
，處於優勢的磁疇逐漸擴大其範圍
，最終成為單一磁疇，並朝向外部磁場方向（飽和磁化狀態）。該磁化過程中，在原子水平下會發生微小的位置變化，而在宏觀水平下，則會表現為磁致伸縮，即磁性體的外形變化。

 

磁致伸縮導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5suoshi
，zaicixingtishangraoyouxianquandezhuangtaixialiuguodianliu

，dangshijiasuochanshengdejiaoliucichangshi
，cixingtijianghuifanfushensuo，bingchanshengzhendong。weici，zaigonglvdianganqizhong，wufawanquanxiaochucizhishensuosuodaozhidecixingticixinzhendong。gonglvdianganqidantizhendongshuipingsuixiao，dandangtiezhuangzhijibanshangshi，ruoqizhendongyujibandeguyouzhendongshuyizhi
，zezhendongjianghuibeifangda，congerhuitingdaoxiaojiao。

振動原因➁：磁性體磁芯磁化導致相互吸引

 

圖6：鼓芯與屏蔽磁芯相互吸引導致嘯叫

 

磁性體被外部磁場磁化時將會表現出磁鐵性質
，從而與周圍磁性體相互吸引。圖6所示為全屏蔽型功率電感器示例。此為閉合磁路結構的功率電感器，但鼓芯與屏蔽磁芯(環形磁芯)間(jian)設(she)有(you)間(jian)隙(xi)，噪(zao)音(yin)有(you)時(shi)會(hui)從(cong)該(gai)處(chu)發(fa)出(chu)。繞(rao)組(zu)中(zhong)流(liu)過(guo)交(jiao)流(liu)電(dian)流(liu)時(shi)
，因(yin)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)而(er)被(bei)磁(ci)化(hua)的(de)鼓(gu)芯(xin)與(yu)屏(ping)蔽(bi)磁(ci)芯(xin)將(jiang)會(hui)因(yin)磁(ci)力(li)而(er)相(xiang)互(hu)吸(xi)引(yin)，若(ruo)該(gai)振(zhen)動(dong)在(zai)人(ren)耳(er)可(ke)聽(ting)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)時(shi)，則(ze)會(hui)聽(ting)到(dao)噪(zao)音(yin)。

 

鼓(gu)芯(xin)與(yu)屏(ping)蔽(bi)磁(ci)芯(xin)之(zhi)間(jian)的(de)間(jian)隙(xi)通(tong)過(guo)粘(zhan)接(jie)劑(ji)進(jin)行(xing)封(feng)閉(bi)，但(dan)為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)因(yin)應(ying)力(li)產(chan)生(sheng)開(kai)裂(lie)，因(yin)此(ci)不(bu)會(hui)使(shi)用(yong)較(jiao)硬(ying)的(de)材(cai)料(liao)

，從(cong)而(er)無(wu)法(fa)完(wan)全(quan)抑(yi)製(zhi)因(yin)相(xiang)互(hu)吸(xi)引(yin)所(suo)導(dao)致(zhi)的(de)振(zhen)動(dong)。

 

振動原因➂：漏磁通導致繞組振動

 

不bu帶dai有you屏ping蔽bi磁ci芯xin的de無wu屏ping蔽bi型xing功gong率lv電dian感gan器qi中zhong，不bu會hui因yin前qian述shu鼓gu芯xin與yu屏ping蔽bi磁ci芯xin磁ci化hua導dao致zhi的de相xiang互hu吸xi引yin而er產chan生sheng嘯xiao叫jiao。但dan在zai無wu屏ping蔽bi型xing產chan品pin中zhong會hui發fa生sheng其qi他ta問wen題ti。由you於yu無wu屏ping蔽bi型xing產chan品pin為wei開kai放fang磁ci路lu結jie構gou，因yin此ci漏lou磁ci通tong會hui對dui繞rao粗cu產chan生sheng作zuo用yong。由you於yu繞rao組zu中zhong會hui流liu過guo電dian流liu，因yin此ci根gen據ju佛fo來lai明ming左zuo手shou定ding則ze，力li會hui作zuo用yong於yu繞rao組zu上shang。為wei此ci，當dang交jiao流liu電dian流liu流liu過guo繞rao組zu時shi
，繞rao組zu本ben身shen會hui發fa生sheng振zhen動dong
，從cong而er產chan生sheng嘯xiao叫jiao（圖7）。

 

圖7：磁通導致繞組振動

 

 

噪音放大原因➀ 與其他元件接觸

 

在zai高gao密mi度du貼tie裝zhuang有you多duo個ge電dian子zi元yuan件jian及ji設she備bei的de電dian源yuan電dian路lu基ji板ban中zhong，若ruo電dian感gan器qi與yu其qi他ta元yuan件jian接jie觸chu，則ze電dian感gan器qi的de微wei小xiao振zhen動dong將jiang會hui被bei放fang大da
，從cong而er會hui聽ting到dao嘯xiao叫jiao。

 

噪音放大原因➁ 漏磁通導致對周邊磁性體產生作用

 

當電感器附近存在屏蔽罩等磁性體時
，磁性體會因電感器漏磁通影響產生振動，從發生嘯叫。

噪音放大原因➂ 與包括基板在內的組件整體固有振動數一致

 

通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)，用(yong)於(yu)電(dian)感(gan)器(qi)等(deng)產(chan)品(pin)中(zhong)的(de)小(xiao)型(xing)磁(ci)性(xing)體(ti)磁(ci)芯(xin)單(dan)體(ti)，其(qi)磁(ci)致(zhi)伸(shen)縮(suo)導(dao)致(zhi)的(de)空(kong)氣(qi)振(zhen)動(dong)基(ji)本(ben)不(bu)會(hui)被(bei)識(shi)別(bie)為(wei)嘯(xiao)叫(jiao)。但(dan)電(dian)感(gan)器(qi)由(you)多(duo)個(ge)部(bu)件(jian)組(zu)合(he)而(er)成(cheng)，且(qie)貼(tie)裝(zhuang)於(yu)基(ji)板(ban)上(shang)時(shi)，將(jiang)會(hui)產(chan)生(sheng)多(duo)個(ge)人(ren)耳(er)可(ke)聽(ting)頻(pin)率(lv)的(de)固(gu)有(you)振(zhen)動(dong)數(shu)，該(gai)振(zhen)動(dong)放(fang)大(da)後(hou)便(bian)會(hui)形(xing)成(cheng)嘯(xiao)叫(jiao)。同(tong)時(shi)，若(ruo)與(yu)組(zu)件(jian)整(zheng)體(ti)的(de)多(duo)個(ge)固(gu)有(you)振(zhen)動(dong)數(shu)相(xiang)一(yi)致(zhi)時(shi)
，在(zai)安(an)裝(zhuang)至(zhi)組(zu)件(jian)中(zhong)之(zhi)後(hou)有(you)可(ke)能(neng)會(hui)發(fa)生(sheng)嘯(xiao)叫(jiao)。

 

圖8所示為，通過運用了FEM(有限元法)的計算機模擬器對貼裝有功率電感器的基板振動情況進行分析的示例。所使用的分析模型中，功率電感器配置於基板（FR4）中央
，並對基板長邊2麵進行了固定。

 

一般情況下
，結構體發生共振的固有值（固有振動數）擁有多個，與此相應
，會有各種各樣的振動模式。在該"功率電感器＋基板"的分析模型中，隨著頻率的提高，各固有振動數也會出現各種各樣的振動模式。圖8所示的1次、2次
、5次、18次振動模式中
，功率電感器可能是振動源。其中，1次模式的振動頻率與功率電感器單體的振動頻率基本相同。但值得注意的是，Z方向(高度方向)振動較為顯著的2次模式在功率電感器單體的情況下出現了較高的頻率，但固定於基板上後出現了極低的頻率。 

 

 

重點1：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策。

但以節能等為目的的間歇工作以及頻率可變模式的DC-DC轉換器等無法避免人耳可聽頻率的通電時，請嚐試以下靜音化對策。

 

重點2：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，則應使用漏磁通較少的屏蔽型(閉合磁路結構)的電感器
，同時還應注意放置方向。

 

重點3：錯開固有振動數

 

有時通過錯開固有振動數或提高振動數可降低嘯叫。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數將會發生變化。此外
，嘯叫常見於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，固有振動數將會提高，從而可降低嘯叫。

 

重點4：置換為金屬一體成型型

 

rushangsuoshu，zaiquanpingbixinggonglvdianganqizhong，guxinyupingbicixinhuiyincixingxianghuxiyin，congerzaijianxibuweihuifashengxiaojiao。tongshi
，zaiwupingbixinggonglvdianganqizhong
，loucitongyinqidedianxianzhendonghuidaozhichanshengxiaojiao。

 

針(zhen)對(dui)此(ci)類(lei)功(gong)率(lv)電(dian)感(gan)器(qi)嘯(xiao)叫(jiao)問(wen)題(ti)，置(zhi)換(huan)為(wei)金(jin)屬(shu)一(yi)體(ti)成(cheng)型(xing)型(xing)是(shi)有(you)效(xiao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。這(zhe)是(shi)通(tong)過(guo)在(zai)軟(ruan)磁(ci)性(xing)金(jin)屬(shu)磁(ci)粉(fen)中(zhong)嵌(qian)入(ru)空(kong)心(xin)線(xian)圈(quan)後(hou)進(jin)行(xing)一(yi)體(ti)成(cheng)型(xing)的(de)功(gong)率(lv)電(dian)感(gan)器(qi)。由(you)於(yu)沒(mei)有(you)間(jian)隙(xi)，因(yin)此(ci)磁(ci)芯(xin)之(zhi)間(jian)不(bu)會(hui)相(xiang)互(hu)吸(xi)引(yin)


，同(tong)時(shi)
，由(you)於(yu)固(gu)定(ding)線(xian)圈(quan)時(shi)使(shi)其(qi)與(yu)磁(ci)性(xing)體(ti)形(xing)成(cheng)一(yi)體(ti)化(hua)，因(yin)此(ci)還(hai)可(ke)避(bi)免(mian)因(yin)磁(ci)通(tong)造(zao)成(cheng)繞(rao)組(zu)振(zhen)動(dong)的(de)問(wen)題(ti)。不(bu)僅(jin)如(ru)此(ci)，TDK的(de)產(chan)品(pin)還(hai)采(cai)用(yong)了(le)磁(ci)致(zhi)伸(shen)縮(suo)較(jiao)小(xiao)的(de)金(jin)屬(shu)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)，因(yin)此(ci)可(ke)抑(yi)製(zhi)因(yin)磁(ci)致(zhi)伸(shen)縮(suo)導(dao)致(zhi)的(de)振(zhen)動(dong)
，通(tong)過(guo)置(zhi)換(huan)無(wu)屏(ping)蔽(bi)型(xing)或(huo)全(quan)屏(ping)蔽(bi)型(xing)產(chan)品(pin)可(ke)有(you)望(wang)降(jiang)低(di)嘯(xiao)叫(jiao)。

 

圖8：各類功率電感器的噪音評估示例

 

TDK的金屬一體成型型功率電感器可有效應對嘯叫，同時
，漏磁通極少，因此還適合放置在信號線附近等位置。

 

同時，使用了鐵氧體磁芯的TDK功率電感器的特點在於，電感的種類更多，可應對較高的電感值。其量產性優異，多用於各類設備中。

 

來源：TDK官網