电感为什么会啸叫?有效对策有哪些?(1)
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。
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。
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。
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。
功率电感器主体振动以及噪音扩大的机制
当流过人耳可听范围频率的电流时,功率电感器主体发生的振动会引起啸叫。其振动原因以及噪音原因有以下几种可能。
振动原因
➀ 磁性体磁芯磁致伸缩(磁应变)作用
➁ 磁性体磁芯磁化导致相互吸引
➂ 漏磁通导致绕组振动
噪音放大原因
➀ 与其他元件接触
➁ 漏磁通导致对周边磁性体产生作用
➂ 与包括基板在内的组件整体固有振动数一致
导致产生功率电感器啸叫的振动原因以及噪音扩大原因如图4进行了总结。以下对这些原因的主要内容进行说明。
产生振动的各种原因与作用
振动原因1: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。
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。
振动原因2: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。