四个办法教你解决功率电感器

导致"啸叫"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)。

图1 功率电感器啸叫机制

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。

图2 PWM(脉冲调幅)方式与PFM(脉冲调频)方式

[2]. PWM调光等DC-DC转换器间歇工作导致的啸叫

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。

▶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。

▶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

主体振动及噪声扩大的机制

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：

磁性体磁芯磁致伸缩(磁应变)作用。

磁性体磁芯磁化导致相互吸引。

漏磁通导致绕组振动。

噪音放大原因：

其他元件接触。

漏磁通导致对周边磁性体产生作用。

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。

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

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。