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怎样应对电容电感“逆耳”的“啸叫”声

  正在条记本电脑、平板电脑、智老手机、电视机以及车载电子筑筑等运转时,有时会听到叽的噪音。该气象称为啸叫,导致该气象显示的理由或许正在于电容器、电感器等无源元件。电容器与电感器的产生啸叫的道理分歧,加倍是电感器的啸叫,其理由众种众样,相称丰富。本文中迁就DC-DC转换器等电源电道的重要元件——功率电感器的啸叫理由以及有用对策举行先容。

  声波是正在气氛中散布的弹性波,人的听觉可听到大约20~20kHz频率限度的声响。正在DC-DC转换器的功率电感器中,当流过人耳可听限度频率的换取电流以及脉冲波时,电感器主经验产生振动,该气象称为线圈噪音,有时也会被听成啸叫气象(图1)。

  跟着电子筑筑的效力持续深化,DC-DC转换器的功率电感器也成为了噪音产生源之一。DC-DC转换器通过开闭器件举行ON/OFF,由此发生脉冲状电流。通过左右ON的时期长度(脉宽),可取得电压恒定的安祥直流电流。该办法称为PWM(脉冲调幅),其行动DC-DC转换器的主流办法获取遍及操纵。

  但DC-DC转换器的开闭频率较高,抵达数100kHz~数MHz,因为该频率振动越过了人耳可听限度,因而不会感想到噪音。那么,为什么DC-DC转换器的功率电感器会发出叽的啸叫呢?

  或许的理由有几个,起首或许的是以俭约电池电力等为方针,让DC-DC转换器举行间停工作的情景,或将DC-DC转换器从PWM办法切换为PFM(脉冲调频)办法,正在频率可变形式下运转的情景。图2所示为PWM办法与PFM办法的基础道理。

  出于节能等方针,转移筑筑液晶显示器背光自愿调光效力等引进了DC-DC转换器间停工作。这是按照操纵境况照度,对背光亮度举行自愿调光,从而延迟电池操纵时期的体系。

  该调光有众种办法,个中,左右LED亮灯时期及熄灯时期长度的办法称为PWM调光。PWM办法调光体系的长处正在于,调光惹起的色度变革较少,其重要用于条记本电脑以及平板电脑等的背光中。

  PWM调光通过200Hz操纵的较低频率使DC-DC转换器举行间停工作,并通过屡次举行亮灯/熄灭操作来安排亮度。正在亮灯/熄灭的恒定轮回中,调长亮灯时期时将会变亮,调短时则会变暗。正在200Hz操纵的间停工作中,眼睛基础上不会察觉背光频闪情景。但因为其处于人耳可听频率中,因而当基板上贴装的功率电感器中流过间停工作的电流时,电感器主体将会因频率影响而产生振动,从而导致显示啸叫。

  DC-DC转换器中,相对付开闭周期(开闭器件的ON时期+OFF时期)的ON时期比称为占空比。对LED举行PWM调光时,亮灯时期/(亮灯时期+熄灯时期)称为占空比,并显露亮度。

  PWM办法DC-DC转换器的特征正在于,正在浅显就业中,其作用可高达大约80~90%以上。但待机时期等轻负荷情景下,作用将会重要下降。开闭形成的损耗与频率成正比。为此,正在轻负荷情景下会产生恒定开闭损耗,因而会使作用下降。

  因而,为了改进该题目,正在轻负荷情景下操纵自愿将PWM办法调换为PFM(脉冲调频)办法的DC-DC转换器。PFM办法是配合负荷减轻,正在固定ON时期的情景下,对开闭频率举行左右的办法。因为ON时期恒定,因而通过延迟OFF时期,开闭频率将会慢慢下降。因为开闭损耗与频率成正比,因而通过下降频率可正在轻负荷情景下竣工高效化。但下降后的频率将会进入人耳可听的约20~20kHz的限度,此时功率电感器将会产生啸叫。

  出于俭约电池电力的方针,条记本电脑等转移筑筑中使用有种种省电技能,为此或许会导致电感器产生啸叫。比如,出于两全低耗电量以及收拾才能的方针,条记本电脑CPU中带有周期性改造花费电流的形式,当该周期处于人耳可听频率限度时,功率电感器或许会因该影响而发生啸叫。

  电感器可使直流电熟练市流过,而对付换取电流等产生变革的电流,则通过自觉得感化,朝遏止产生变革的目标发生电动势,阐扬电阻的感化。此时,电感器将电能转换为磁能,将其积累起来,并正在转换成电能后将其放出。该能量的巨细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转换器等开闭办法电源电道中的重要元件,通过与电容器举行调解,使开闭器件ON/OFF所发生的高频脉冲更为光滑化。

  因为电源电道的功率电感器中会流过大电流,因而绕组型为主流产物。这是由于,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,以较少巻数竣工高电感值,从而可使产物更为小型化。图3所示为操纵功率电感器的DC-DC转换器(非绝缘型及斩波办法)基础电道。

  当流过人耳可听限度频率的电流时,功率电感器主体产生的振动会惹起啸叫。其振动理由以及噪音理由有以下几种或许。

  导致发生功率电感器啸叫的振动理由以及噪音增添理由如图4举行了总结。以下对这些理由的重要实质举行注明。

  对磁性体施加磁场使其磁化后,其外形会产生微小变革。该气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,绕组所发生的换取磁场会使磁性体磁芯产生伸缩,有时会检测到其振动声。

  磁性体是称为磁畴的小限度的凑集体(图5)。磁畴内部的原子磁矩朝向肖似,因而磁畴是一个自愿磁化朝向恒定的微细磁铁,但磁性体完全却不会再现出磁铁的特点。这是由于,组成磁性体的众个磁畴,其分列使自愿磁化彼此抵消,因而从皮相上来看处于消磁状况。

  从外部对处于该消磁状况的磁性体施加磁场时,各个磁畴会将自愿磁化朝向团结为外部磁场目标,因而磁畴限度会慢慢产生变革。该气象由磁畴间界限——磁壁的转移所惹起。由此,跟着磁化的举行,处于上风的磁畴慢慢增添其限度,最终成为简单磁畴,并朝向外部磁场目标(饱和磁化状况)。该磁化流程中,正在原子秤谌下会产生微细的位子变革,而正在宏观秤谌下,则会再现为磁致伸缩,即磁性体的外形变革。

  磁致伸缩导致的外形变革极其微细,约为原尺寸的1万分之1~100万分之1,但如图5所示,正在磁性体上绕有线圈的状况卑劣过电流,当施加所发生的换取磁场时,磁性体将会屡次伸缩,并发生振动。为此,正在功率电感器中,无法齐备清扫磁致伸缩所导致的磁性体磁芯振动。功率电感器单体振动秤谌虽小,但当贴装至基板上时,若其振动与基板的固有振动数划一,则振动将会被放大,从而会听到啸叫。

  磁性体被外部磁场磁化时将会再现出磁铁本质,从而与四周磁性体彼此吸引。图6所示为全屏障型功率电感器示例。此为闭合磁道布局的功率电感器,但饱芯与屏障磁芯(环形磁芯)间设有间隙,噪音有时会从该处发出。绕组中流过换取电流时,因发生的磁场而被磁化的饱芯与屏障磁芯将会因磁力而彼此吸引,若该振动正在人耳可听频率限度内时,则会听到噪音。

  饱芯与屏障磁芯之间的间隙通过粘接剂举行关闭,但为了抗御因应力发生开裂,因而不会操纵较硬的原料,从而无法齐备抑止因彼此吸引所导致的振动。

  不带有屏障磁芯的无屏障型功率电感器中,不会因前述饱芯与屏障磁芯磁化导致的彼此吸引而发生啸叫。但正在无屏障型产物中会产生其他题目。因为无屏障型产物为绽放磁道布局,因而漏磁通会对绕粗发生感化。因为绕组中会流过电流,因而按照佛来明左手定章,力会感化于绕组上。为此,当换取电流流过绕组时,绕组自己会产生振动,从而发生啸叫(图7)。

  正在高密度贴装有众个电子元件及筑筑的电源电道基板中,若电感器与其他元件接触,则电感器的微细振动将会被放大,从而会听到啸叫。

  当电感器相近存正在屏障罩等磁性体时,磁性经验因电感器漏磁通影响发生振动,从产生啸叫。

  平常情景下,用于电感器等产物中的小型磁性体磁芯单体,其磁致伸缩导致的气氛振动基础不会被识别为啸叫。但电感器由众个部件组合而成,且贴装于基板上时,将会发生众片面耳可听频率的固有振动数,该振动放大后便会变成啸叫。同时,若与组件完全的众个固有振动数相划一时,正在安设至组件中之后有或许会产生啸叫。

  图8所示为,通过使用了FEM(有限元法)的策画机模仿器对贴装有功率电感器的基板振动情景举行阐明的示例。所操纵的阐明模子中,功率电感器摆设于基板(FR4)主题,并对基板长边2面举行了固定。

  大凡情景下,布局体产生共振的固有值(固有振动数)具有众个,与此相应,会有种种各样的振动形式。正在该功率电感器+基板的阐明模子中,跟着频率的升高,各固有振动数也会显示种种各样的振动形式。图8所示的1次、2次、5次、18次振动形式中,功率电感器或许是振动源。个中,1次形式的振动频率与功率电感器单体的振动频率基础肖似。但值得留意的是,Z目标(高度目标)振动较为明显的2次形式正在功率电感器单体的情景下显示了较高的频率,但固定于基板上后显示了极低的频率。

  但以节能等为方针的间停工作以及频率可变形式的DC-DC转换器等无法避免人耳可听频率的通电时,请实验以下静音化对策。

  不正在电感器相近安排或许受漏磁通影响的磁性体(屏障罩等)。不得已须要亲密时,则应操纵漏磁通较少的屏障型(闭合磁道布局)的电感器,同时还应留意安排目标。

  有时通过错开固有振动数或升高振动数可下降啸叫。比如,通过改造电感器样子、品种、结构、基板紧固等条目,包蕴基板的组件完全固有振动数将会产生变革。另外,啸叫常睹于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,固有振动数将会升高,从而可下降啸叫。

  如上所述,正在全屏障型功率电感器中,饱芯与屏障磁芯会因磁性彼此吸引,从而正在间隙部位会产生啸叫。同时,正在无屏障型功率电感器中,漏磁通惹起的电线振动会导致发生啸叫。

  针对此类功率电感器啸叫题目,置换为金属一体成型型是有用的处分计划。这是通过正在软磁性金属磁粉中嵌入空心线圈后举行一体成型的功率电感器。因为没有间隙,因而磁芯之间不会彼此吸引,同时,因为固定线圈时使其与磁性体变成一体化,因而还可避免因磁通形成绕组振动的题目。不只如许,TDK的产物还采用了磁致伸缩较小的金属磁性原料,因而可抑止因磁致伸缩导致的振动,通过置换无屏障型或全屏障型产物可希望下降啸叫。

  TDK的金属一体成型型功率电感器可有用应对啸叫,同时,漏磁通极少,因而还适合安排正在信号线相近等位子。

  同时,操纵了铁氧体磁芯的TDK功率电感器的特征正在于,电感的品种更众,可应对较高的电感值。其量产性优异,众用于种种筑筑中。

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