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干货深度体会电源电途中的电感啸叫

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  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。

  随着电子设备的功能不断强化,DC-DC转换器的功率电感器也成为了噪音发生源之一。DC-DC转换器通过开关器件进行ON/OFF,由此产生脉冲状电流。通过控制ON的时间长度(脉宽),可得到电压恒定的稳定直流电流。该方式称为PWM(脉冲调幅),其作为DC-DC转换器的主流方式获得广泛使用。但DC-DC转换器的开关频率较高,达到数100kHz~数MHz,由于该频率振动超出了人耳可听范围,因此不会感受到噪音。那么,为什么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转换器进行间歇工作的情况,或将DC-DC转换器从PWM方式切换为PFM(脉冲调频)方式,在频率可变模式下运行的情况。图2所示为PWM方式与PFM方式的基本原理。

  出于节能等目的,移动设备液晶显示器背光自动调光功能等引进了DC-DC转换器间歇工作。这是根据使用环境照度,对背光亮度进行自动调光,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亮灯时间及熄灯时间长度的方式称为PWM调光。PWM方式调光系统的优点在于,调光引起的色度变化较少,其主要用于笔记本电脑以及平板电脑等的背光中。PWM调光通过200Hz左右的较低频率使DC-DC转换器进行间歇工作,并通过反复进行亮灯/熄灭操作来调整亮度。在亮灯/熄灭的恒定循环中,调长亮灯时间时将会变亮,调短时则会变暗。在200Hz左右的间歇工作中,眼睛基本上不会察觉背光频闪情况。但由于其处于人耳可听频率中,因此当基板上贴装的功率电感器中流过间歇工作的电流时,电感器主体将会因频率影响而发生振动,从而导致出现啸叫。注释:占空比

  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。

  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。

  从外部对处于该消磁状态的磁性体施加磁场时,各个磁畴会将自发磁化朝向统一为外部磁场方向,因此磁畴范围会逐渐发生变化。该现象由磁畴间边界——磁壁的移动所引起。由此,随着磁化的进行,处于优势的磁畴逐渐扩大其范围,最终成为单一磁畴,并朝向外部磁场方向(饱和磁化状态)。该磁化过程中,在原子水平下会发生微小的位置变化,而在宏观水平下,则会表现为磁致伸缩,即磁性体的外形变化。

  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➁: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。

  振动原因➂:漏磁通导致绕组振动不带有屏蔽磁芯的无屏蔽型功率电感器中,不会因前述鼓芯与屏蔽磁芯磁化导致的相互吸引而产生啸叫。但在无屏蔽型产品中会发生其他问题。由于无屏蔽型产品为开放磁路结构,因此漏磁通会对绕粗产生作用。由于绕组中会流过电流,因此根据佛来明左手定则,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)。

  噪音放大的各种原因噪音放大原因➀ 与其他元件接触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。噪音放大原因➁ 漏磁通导致对周边磁性体产生作用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。噪音放大原因➂ 与包括基板在内的组件整体固有振动数一致通常情况下,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。

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