在筆記本電腦、平板電腦、智能手機、電視機以及車(chē)載電子設備等運行時(shí)，有時(shí)會(huì )聽(tīng)到"嘰"的噪音。該現象稱(chēng)為"嘯叫"，導致該現象出現的原因可能在于電容器、電感器等無(wú)源元件。電容器與電感器的發(fā)生嘯叫的原理不同，尤其是電感器的嘯叫，其原因多種多樣，十分復雜。本文中將就DC-DC轉換器等電源電路的主要元件——功率電感器的嘯叫原因以及有效對策進(jìn)行介紹。

　　功率電感器嘯叫原因

　　1. 間歇工作、頻率可變模式、負荷變動(dòng)等可能導致人耳可聽(tīng)頻率振動(dòng)聲波是在空氣中傳播的彈性波，人的聽(tīng)覺(jué)可聽(tīng)到大約20～20kHz頻率范圍的"聲音"。在DC-DC轉換器的功率電感器中，當流過(guò)人耳可聽(tīng)范圍頻率的交流電流以及脈沖波時(shí)，電感器主體會(huì )發(fā)生振動(dòng)，該現象稱(chēng)為"線(xiàn)圈噪音"，有時(shí)也會(huì )被聽(tīng)成嘯叫現象(圖1)。

　　圖1：功率電感器嘯叫機制

　　隨著(zhù)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(fā)生源之一。DC-DC轉換器通過(guò)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行ON/OFF，由此產(chǎn)生脈沖狀電流。通過(guò)控制ON的時(shí)間長(cháng)度(脈寬)，可得到電壓恒定的穩定直流電流。該方式稱(chēng)為PWM(脈沖調幅)，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(kāi)關(guān)頻率較高，達到數100kHz～數MHz，由于該頻率振動(dòng)超出了人耳可聽(tīng)范圍，因此不會(huì )感受到噪音。那么，為什么DC-DC轉換器的功率電感器會(huì )發(fā)出"嘰"的嘯叫呢？

　　可能的原因有幾個(gè)，首先可能的是以節省電池電力等為目的，讓DC-DC轉換器進(jìn)行間歇工作的情況，或將DC-DC轉換器從PWM方式切換為PFM(脈沖調頻)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(脈沖調幅)方式與PFM(脈沖調頻)方式2. PWM調光等DC-DC轉換器間歇工作導致的嘯叫出于節能等目的，移動(dòng)設備液晶顯示器背光自動(dòng)調光功能等引進(jìn)了DC-DC轉換器間歇工作。這是根據使用環(huán)境照度，對背光亮度進(jìn)行自動(dòng)調光，從而延長(cháng)電池使用時(shí)間的系統。

　　該調光有多種方式，其中，控制LED亮燈時(shí)間及熄燈時(shí)間長(cháng)度的方式稱(chēng)為PWM調光。PWM方式調光系統的優(yōu)點(diǎn)在于，調光引起的色度變化較少，其主要用于筆記本電腦以及平板電腦等的背光中。

　　PWM調光通過(guò)200Hz左右的較低頻率使DC-DC轉換器進(jìn)行間歇工作，并通過(guò)反復進(jìn)行亮燈/熄滅操作來(lái)調整亮度。在亮燈/熄滅的恒定循環(huán)中，調長(cháng)亮燈時(shí)間時(shí)將會(huì )變亮，調短時(shí)則會(huì )變暗。在200Hz左右的間歇工作中，眼睛基本上不會(huì )察覺(jué)背光頻閃情況。但由于其處于人耳可聽(tīng)頻率中，因此當基板上貼裝的功率電感器中流過(guò)間歇工作的電流時(shí)，電感器主體將會(huì )因頻率影響而發(fā)生振動(dòng)，從而導致出現嘯叫。

　　注釋?zhuān)赫伎毡?br>
　　DC-DC轉換器中，相對于開(kāi)關(guān)周期(開(kāi)關(guān)器件的ON時(shí)間+OFF時(shí)間)的ON時(shí)間比稱(chēng)為占空比。對LED進(jìn)行PWM調光時(shí)，亮燈時(shí)間/(亮燈時(shí)間＋熄燈時(shí)間)稱(chēng)為占空比，并表示亮度。

　　3. 頻率可變模式DC-DC轉換器導致的嘯叫

　　PWM方式DC-DC轉換器的特點(diǎn)在于，在普通工作中，其效率可高達大約80~90%以上。但待機時(shí)間等輕負荷情況下，效率將會(huì )嚴重降低。開(kāi)關(guān)造成的損耗與頻率成正比。為此，在輕負荷情況下會(huì )發(fā)生恒定開(kāi)關(guān)損耗，因此會(huì )使效率降低。

　　因此，為了改善該問(wèn)題，在輕負荷情況下使用自動(dòng)將PWM方式替換為PFM(脈沖調頻)方式的DC-DC轉換器。PFM方式是配合負荷減輕，在固定ON時(shí)間的情況下，對開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行控制的方式。由于ON時(shí)間恒定，因此通過(guò)延長(cháng)OFF時(shí)間，開(kāi)關(guān)頻率將會(huì )漸漸降低。由于開(kāi)關(guān)損耗與頻率成正比，因此通過(guò)降低頻率可在輕負荷情況下實(shí)現高效化。但降低后的頻率將會(huì )進(jìn)入人耳可聽(tīng)的約20~20kHz的范圍，此時(shí)功率電感器將會(huì )發(fā)生嘯叫。

　　4. 負荷導致的嘯叫

　　出于節省電池電力的目的，筆記本電腦等移動(dòng)設備中運用有各類(lèi)省電技術(shù)，為此可能會(huì )導致電感器發(fā)生嘯叫。例如，出于兼顧低耗電量以及處理能力的目的，筆記本電腦CPU中帶有周期性變更消耗電流的模式，當該周期處于人耳可聽(tīng)頻率范圍時(shí)，功率電感器可能會(huì )因該影響而產(chǎn)生嘯叫。

　　注釋?zhuān)篋C-DC轉換器中功率電感器的作用

　　電感器可使直流電流順利流過(guò)，而對于交流電流等發(fā)生變化的電流，則通過(guò)自感應作用，朝阻止發(fā)生變化的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢，發(fā)揮電阻的作用。此時(shí)，電感器將電能轉換為磁能，將其積攢起來(lái)，并在轉換成電能后將其放出。該能量的大小與電感器電感值成正比。

　　功率電感器也被稱(chēng)為功率線(xiàn)圈、功率扼流圈，是用于DC-DC轉換器等開(kāi)關(guān)方式電源電路中的主要元件，通過(guò)與電容器進(jìn)行協(xié)調，使開(kāi)關(guān)器件ON/OFF所產(chǎn)生的高頻脈沖更為平滑化。

　　由于電源電路的功率電感器中會(huì )流過(guò)大電流，因此繞組型為主流產(chǎn)品。這是因為，通過(guò)將高導磁率的磁性體（鐵氧體或軟磁性金屬）用于磁芯中，以較少巻數實(shí)現高電感值，從而可使產(chǎn)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)基本電路功率電感器主體振動(dòng)以及噪音擴大的機制

　　當流過(guò)人耳可聽(tīng)范圍頻率的電流時(shí)，功率電感器主體發(fā)生的振動(dòng)會(huì )引起嘯叫。其振動(dòng)原因以及噪音原因有以下幾種可能。

　　振動(dòng)原因

　　磁性體磁芯磁致伸縮（磁應變）作用

　　磁性體磁芯磁化導致相互吸引

　　漏磁通導致繞組振動(dòng)

　　噪音放大原因

　　與其他元件接觸

　　漏磁通導致對周邊磁性體產(chǎn)生作用

　　與包括基板在內的組件整體固有振動(dòng)數一致

　　導致產(chǎn)生功率電感器嘯叫的振動(dòng)原因以及噪音擴大原因如圖4進(jìn)行了總結。以下對這些原因的主要內容進(jìn)行說(shuō)明。

　　圖4：導致產(chǎn)生功率電感器嘯叫的振動(dòng)原因以及擴大原因產(chǎn)生振動(dòng)的各種原因與作用

　　振動(dòng)原因：磁性體磁芯磁致伸縮（磁應變）

　　對磁性體施加磁場(chǎng)使其磁化后，其外形會(huì )發(fā)生細微變化。該現象稱(chēng)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(chǎn)生的交流磁場(chǎng)會(huì )使磁性體磁芯發(fā)生伸縮，有時(shí)會(huì )檢測到其振動(dòng)聲。

　　圖5：磁性體磁致伸縮（磁應變）作用

　　磁性體是稱(chēng)為磁疇的小范圍的集合體（圖5）。磁疇內部的原子磁矩朝向相同，因此磁疇是一個(gè)自發(fā)磁化朝向恒定的微小磁鐵，但磁性體整體卻不會(huì )表現出磁鐵的特性。這是因為，構成磁性體的多個(gè)磁疇，其排列使自發(fā)磁化相互抵消，因此從表面上來(lái)看處于消磁狀態(tài)。

　　從外部對處于該消磁狀態(tài)的磁性體施加磁場(chǎng)時(shí)，各個(gè)磁疇會(huì )將自發(fā)磁化朝向統一為外部磁場(chǎng)方向，因此磁疇范圍會(huì )逐漸發(fā)生變化。該現象由磁疇間邊界——磁壁的移動(dòng)所引起。由此，隨著(zhù)磁化的進(jìn)行，處于優(yōu)勢的磁疇逐漸擴大其范圍，最終成為單一磁疇，并朝向外部磁場(chǎng)方向（飽和磁化狀態(tài)）。該磁化過(guò)程中，在原子水平下會(huì )發(fā)生微小的位置變化，而在宏觀(guān)水平下，則會(huì )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(wàn)分之1～100萬(wàn)分之1，但如圖5所示，在磁性體上繞有線(xiàn)圈的狀態(tài)下流過(guò)電流，當施加所產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)時(shí)，磁性體將會(huì )反復伸縮，并產(chǎn)生振動(dòng)。為此，在功率電感器中，無(wú)法完全消除磁致伸縮所導致的磁性體磁芯振動(dòng)。功率電感器單體振動(dòng)水平雖小，但當貼裝至基板上時(shí)，若其振動(dòng)與基板的固有振動(dòng)數一致，則振動(dòng)將會(huì )被放大，從而會(huì )聽(tīng)到嘯叫。

　　振動(dòng)原因：磁性體磁芯磁化導致相互吸引

　　磁性體被外部磁場(chǎng)磁化時(shí)將會(huì )表現出磁鐵性質(zhì)，從而與周?chē)�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(huán)形磁芯)間設有間隙，噪音有時(shí)會(huì )從該處發(fā)出。繞組中流過(guò)交流電流時(shí)，因產(chǎn)生的磁場(chǎng)而被磁化的鼓芯與屏蔽磁芯將會(huì )因磁力而相互吸引，若該振動(dòng)在人耳可聽(tīng)頻率范圍內時(shí)，則會(huì )聽(tīng)到噪音。

　　鼓芯與屏蔽磁芯之間的間隙通過(guò)粘接劑進(jìn)行封閉，但為了防止因應力產(chǎn)生開(kāi)裂，因此不會(huì )使用較硬的材料，從而無(wú)法完全抑制因相互吸引所導致的振動(dòng)。

　　圖6：鼓芯與屏蔽磁芯相互吸引導致嘯叫

　　振動(dòng)原因?：漏磁通導致繞組振動(dòng)

　　不帶有屏蔽磁芯的無(wú)屏蔽型功率電感器中，不會(huì )因前述鼓芯與屏蔽磁芯磁化導致的相互吸引而產(chǎn)生嘯叫。但在無(wú)屏蔽型產(chǎn)品中會(huì )發(fā)生其他問(wèn)題。由于無(wú)屏蔽型產(chǎn)品為開(kāi)放磁路結構，因此漏磁通會(huì )對繞粗產(chǎn)生作用。由于繞組中會(huì )流過(guò)電流，因此根據佛來(lái)明左手定則，力會(huì )作用于繞組上。為此，當交流電流流過(guò)繞組時(shí)，繞組本身會(huì )發(fā)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生嘯叫（圖7）。

　　圖7：磁通導致繞組振動(dòng)

　　噪音放大的各種原因

　　噪音放大原因 與其他元件接觸

　　在高密度貼裝有多個(gè)電子元件及設備的電源電路基板中，若電感器與其他元件接觸，則電感器的微小振動(dòng)將會(huì )被放大，從而會(huì )聽(tīng)到嘯叫。

　　噪音放大原因? 漏磁通導致對周邊磁性體產(chǎn)生作用當電感器附近存在屏蔽罩等磁性體時(shí)，磁性體會(huì )因電感器漏磁通影響產(chǎn)生振動(dòng)，從發(fā)生嘯叫。

　　噪音放大原因? 與包括基板在內的組件整體固有振動(dòng)數一致通常情況下，用于電感器等產(chǎn)品中的小型磁性體磁芯單體，其磁致伸縮導致的空氣振動(dòng)基本不會(huì )被識別為嘯叫。但電感器由多個(gè)部件組合而成，且貼裝于基板上時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生多個(gè)人耳可聽(tīng)頻率的固有振動(dòng)數，該振動(dòng)放大后便會(huì )形成嘯叫。同時(shí)，若與組件整體的多個(gè)固有振動(dòng)數相一致時(shí)，在安裝至組件中之后有可能會(huì )發(fā)生嘯叫。

　　圖8所示為，通過(guò)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(dòng)情況進(jìn)行分析的示例。所使用的分析模型中，功率電感器配置于基板（FR4）中央，并對基板長(cháng)邊2面進(jìn)行了固定。

　　一般情況下，結構體發(fā)生共振的固有值（固有振動(dòng)數）擁有多個(gè)，與此相應，會(huì )有各種各樣的振動(dòng)模式。在該"功率電感器＋基板"的分析模型中，隨著(zhù)頻率的提高，各固有振動(dòng)數也會(huì )出現各種各樣的振動(dòng)模式。圖8所示的1次、2次、5次、18次振動(dòng)模式中，功率電感器可能是振動(dòng)源。其中，1次模式的振動(dòng)頻率與功率電感器單體的振動(dòng)頻率基本相同。但值得注意的是，Z方向(高度方向)振動(dòng)較為顯著(zhù)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，但固定于基板上后出現了極低的頻率。

　　《分析模型》功率電感器配置于基板（FR4）中央。

　　邊界條件：固定基板長(cháng)邊2面。

　　1次模式 :2034Hz~

　　2次模式 :2262Hz~

　　5次模式 :4048Hz~

　　18次模式 :16226Hz~

　　通過(guò)計算機模擬器對"功率電感器+基板"的振動(dòng)情況進(jìn)行分析的示例功率電感器的嘯叫對策

　　以下就DC-DC轉換器的功率電感器嘯叫對策重點(diǎn)進(jìn)行了總結。

　　重點(diǎn)1：避免流過(guò)人耳可聽(tīng)頻率電流

　　避免流過(guò)人耳可聽(tīng)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(wú)法避免人耳可聽(tīng)頻率的通電時(shí)，請嘗試以下靜音化對策。

　　重點(diǎn)2：周?chē)�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(shí)，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(shí)還應注意放置方向。

　　重點(diǎn)3：錯開(kāi)固有振動(dòng)數

　　有時(shí)通過(guò)錯開(kāi)固有振動(dòng)數或提高振動(dòng)數可降低嘯叫。例如，通過(guò)變更電感器形狀、種類(lèi)、布局、基板緊固等條件，包含基板的組件整體固有振動(dòng)數將會(huì )發(fā)生變化。此外，嘯叫常見(jiàn)于7mm尺寸以上的大型功率電感器中。通過(guò)采用5mm以下的小型功率電感器，固有振動(dòng)數將會(huì )提高，從而可降低嘯叫。

　　重點(diǎn)4：置換為金屬一體成型型

　　如上所述，在全屏蔽型功率電感器中，鼓芯與屏蔽磁芯會(huì )因磁性相互吸引，從而在間隙部位會(huì )發(fā)生嘯叫。同時(shí)，在無(wú)屏蔽型功率電感器中，漏磁通引起的電線(xiàn)振動(dòng)會(huì )導致產(chǎn)生嘯叫。

　　針對此類(lèi)功率電感器嘯叫問(wèn)題，置換為金屬一體成型型是有效的解決方案。這是通過(guò)在軟磁性金屬磁粉中嵌入空心線(xiàn)圈后進(jìn)行一體成型的功率電感器。由于沒(méi)有間隙，因此磁芯之間不會(huì )相互吸引，同時(shí)，由于固定線(xiàn)圈時(shí)使其與磁性體形成一體化，因此還可避免因磁通造成繞組振動(dòng)的問(wèn)題。不僅如此，TDK的產(chǎn)品還采用了磁致伸縮較小的金屬磁性材料，因此可抑制因磁致伸縮導致的振動(dòng)，通過(guò)置換無(wú)屏蔽型或全屏蔽型產(chǎn)品可有望降低嘯叫。

　　全屏蔽型與金屬一體型的噪音比較

　　以下將全屏蔽型與半屏蔽型功率電感器(TDK產(chǎn)品、約6mm尺寸)，以及全屏蔽型與金屬一體成型型功率電感器(TDK產(chǎn)品、約12mm尺寸)作為測量樣本，對噪音的發(fā)生情況進(jìn)行了調查。在消聲盒內部安裝麥克風(fēng)，以0A～額定電流的正弦波電流對安裝于基板上的測量樣本通電60秒，并以人耳可聽(tīng)頻率20Hz~20kHz進(jìn)行掃頻，此間記錄其峰值聲壓。

　　如圖表所示，比較全屏蔽型與半屏蔽型后可發(fā)現，聲壓等級會(huì )因頻率而有所不同。

　　比較全屏蔽型與金屬一體成型型產(chǎn)品時(shí)，其中的差異較為顯著(zhù)。全屏蔽型中，在大范圍的頻帶內產(chǎn)生有30~50dB左右水平的噪音。而在金屬一體成型型中，在大范圍頻帶內，其與背景噪音處于同等低的水平，即使在峰值部位，其與全屏蔽型相比也抑制了大約20dB。抑制20dB也就意味著(zhù)僅為10分之1的水平，由此可見(jiàn)，置換為金屬一體成型型是有效的對策。