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直流穩壓電源電路設計中如何應對電容電感刺耳

文章來源:穩壓電源公司,時間:2018-10-29 12:29    點擊量:

在直流穩壓電源電路設計設備等運行時,有時會聽到"嘰"的噪音。該現象稱為"嘯叫",導致該現象出現的原因可能在于電容器、電感器等無源元件。電容器與電感器的發生嘯叫的原理不同,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直流穩壓電源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行介紹。
直流穩壓電源電路設計中功率電感器嘯叫原因
 
間歇工作、頻率可變模式、負荷變動等可能導致人耳可聽頻率振動
聲波是在空氣中傳播的彈性波,人的聽覺可聽到大約20~20kHz頻率范圍的"聲音"。在DC-DC直流穩壓電源轉換器的功率電感器中,當流過人耳可聽范圍頻率的交流電流以及脈沖波時,電感器主體會發生振動,該現象稱為"線圈噪音",有時也會被聽成嘯叫現象(圖1)。
圖1:功率電感器嘯叫機制
直流穩壓電源電路設計中如何應對電容電感刺耳的“嘯叫”聲
隨著直流穩壓電源設備的功能不斷強化,DC-DC直流穩壓電源轉換器的功率電感器也成為了噪音發生源之一。DC-DC直流穩壓電源轉換器通過開關器件進行ON/OFF,由此產生脈沖狀電流。通過控制ON的時間長度(脈寬),可得到電壓恒定的穩定直流電流。該方式稱為PWM(脈沖調幅),其作為DC-DC直流穩壓電源轉換器的主流方式獲得廣泛使用。
但DC-DC直流穩壓電源轉換器的開關頻率較高,達到數100kHz~數MHz,由于該頻率振動超出了人耳可聽范圍,因此不會感受到噪音。那么,為什么DC-DC直流穩壓電源轉換器的功率電感器會發出"嘰"的嘯叫呢?
可能的原因有幾個,首先可能的是以節省電池電力等為目的,讓DC-DC直流穩壓電源轉換器進行間歇工作的情況,或將DC-DC直流穩壓電源轉換器從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
直流穩壓電源電路設計中如何應對電容電感刺耳的“嘯叫”聲
PWM調光等DC-DC直流穩壓電源轉換器間歇工作導致的嘯叫
 
出于節能等目的,移動設備液晶顯示器背光自動調光功能等引進了DC-DC直流穩壓電源轉換器間歇工作。這是根據使用環境照度,對背光亮度進行自動調光,從而延長電池使用時間的系統。
該調光有多種方式,其中,控制LED亮燈時間及熄燈時間長度的方式稱為PWM調光。PWM方式調光系統的優點在于,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200Hz左右的較低頻率使DC-DC直流穩壓電源轉換器進行間歇工作,并通過反復進行亮燈/熄滅操作來調整亮度。在亮燈/熄滅的恒定循環中,調長亮燈時間時將會變亮,調短時則會變暗。在200Hz左右的間歇工作中,眼睛基本上不會察覺背光頻閃情況。但由于其處于人耳可聽頻率中,因此當基板上貼裝的功率電感器中流過間歇工作的電流時,電感器主體將會因頻率影響而發生振動,從而導致出現嘯叫。
注釋:占空比
 
DC-DC直流穩壓電源轉換器中,相對于開關周期(開關器件的ON時間+OFF時間)的ON時間比稱為占空比。對LED進行PWM調光時,亮燈時間/(亮燈時間+熄燈時間)稱為占空比,并表示亮度。
頻率可變模式DC-DC直流穩壓電源轉換器導致的嘯叫
 
PWM方式DC-DC直流穩壓電源轉換器的特點在于,在普通工作中,其效率可高達大約80~90%以上。但待機時間等輕負荷情況下,效率將會嚴重降低。開關造成的損耗與頻率成正比。為此,在輕負荷情況下會發生恒定開關損耗,因此會使效率降低。
因此,為了改善該問題,在輕負荷情況下使用自動將PWM方式替換為PFM(脈沖調頻)方式的DC-DC直流穩壓電源轉換器。PFM方式是配合負荷減輕,在固定ON時間的情況下,對開關頻率進行控制的方式。由于ON時間恒定,因此通過延長OFF時間,開關頻率將會漸漸降低。由于開關損耗與頻率成正比,因此通過降低頻率可在輕負荷情況下實現高效化。但降低后的頻率將會進入人耳可聽的約20~20kHz的范圍,此時功率電感器將會發生嘯叫。
負荷導致的嘯叫
 
出于節省電池電力的目的,筆記本電腦等移動設備中運用有各類省電技術,為此可能會導致電感器發生嘯叫。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頻率范圍時,功率電感器可能會因該影響而產生嘯叫。
注釋:DC-DC直流穩壓電源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,而對于交流電流等發生變化的電流,則通過自感應作用,朝阻止發生變化的方向產生電動勢,發揮電阻的作用。此時,電感器將電能轉換為磁能,將其積攢起來,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。
功率電感器也被稱為功率線圈、功率扼流圈,是用于DC-DC直流穩壓電源轉換器等開關方式電源電路中的主要元件,通過與電容器進行協調,使開關器件ON/OFF所產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流過大電流,因此繞組型為主流產品。這是因為,通過將高導磁率的磁性體(鐵氧體或軟磁性金屬)用于磁芯中,以較少巻數實現高電感值,從而可使產品更為小型化。圖3所示為使用功率電感器的DC-DC直流穩壓電源轉換器(非絕緣型及斬波方式)基本電路。
圖3:DC-DC直流穩壓電源轉換器(非絕緣型及斬波方式)基本電路
直流穩壓電源電路設計中如何應對電容電感刺耳的“嘯叫”聲
功率電感器主體振動以及噪音擴大的機制
 
當流過人耳可聽范圍頻率的電流時,功率電感器主體發生的振動會引起嘯叫。其振動原因以及噪音原因有以下幾種可能。
振動原因
1.      ?磁性體磁芯磁致伸縮(磁應變)作用
2.      ?磁性體磁芯磁化導致相互吸引
3.      ?漏磁通導致繞組振動
噪音放大原因
1.      ?與其他元件接觸
2.      ?漏磁通導致對周邊磁性體產生作用
3.      ?與包括基板在內的組件整體固有振動數一致
導致產生功率電感器嘯叫的振動原因以及噪音擴大原因如圖4進行了總結。以下對這些原因的主要內容進行說明。
圖4:導致產生功率電感器嘯叫的振動原因以及擴大原因
直流穩壓電源電路設計中如何應對電容電感刺耳的“嘯叫”聲
產生振動的各種原因與作用
振動原因?:磁性體磁芯磁致伸縮(磁應變)
 
對磁性體施加磁場使其磁化后,其外形會發生細微變化。該現象稱為"磁致伸縮"或"磁應變"。以鐵氧體等磁性體為磁芯的電感器中,繞組所產生的交流磁場會使磁性體磁芯發生伸縮,有時會檢測到其振動聲。
圖5:磁性體磁致伸縮(磁應變)作用
直流穩壓電源電路設計中如何應對電容電感刺耳的“嘯叫”聲
磁性體是稱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,因此磁疇是一個自發磁化朝向恒定的微小磁鐵,但磁性體整體卻不會表現出磁鐵的特性。這是因為,構成磁性體的多個磁疇,其排列使自發磁化相互抵消,因此從表面上來看處于消磁狀態。
從外部對處于該消磁狀態的磁性體施加磁場時,各個磁疇會將自發磁化朝向統一為外部磁場方向,因此磁疇范圍會逐漸發生變化。該現象由磁疇間邊界——磁壁的移動所引起。由此,隨著磁化的進行,處于優勢的磁疇逐漸擴大其范圍,最終成為單一磁疇,并朝向外部磁場方向(飽和磁化狀態)。該磁化過程中,在原子水平下會發生微小的位置變化,而在宏觀水平下,則會表現為磁致伸縮,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1萬分之1~100萬分之1,但如圖5所示,在磁性體上繞有線圈的狀態下流過電流,當施加所產生的交流磁場時,磁性體將會反復伸縮,并產生振動。為此,在功率電感器中,無法完全消除磁致伸縮所導致的磁性體磁芯振動。功率電感器單體振動水平雖小,但當貼裝至基板上時,若其振動與基板的固有振動數一致,則振動將會被放大,從而會聽到嘯叫。
振動原因?:磁性體磁芯磁化導致相互吸引
 
圖6:鼓芯與屏蔽磁芯相互吸引導致嘯叫
直流穩壓電源電路設計中如何應對電容電感刺耳的“嘯叫”聲
 
磁性體被外部磁場磁化時將會表現出磁鐵性質,從而與周圍磁性體相互吸引。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(環形磁芯)間設有間隙,噪音有時會從該處發出。繞組中流過交流電流時,因產生的磁場而被磁化的鼓芯與屏蔽磁芯將會因磁力而相互吸引,若該振動在人耳可聽頻率范圍內時,則會聽到噪音。
鼓芯與屏蔽磁芯之間的間隙通過粘接劑進行封閉,但為了防止因應力產生開裂,因此不會使用較硬的材料,從而無法完全抑制因相互吸引所導致的振動。
振動原因?:漏磁通導致繞組振動
 
不帶有屏蔽磁芯的無屏蔽型功率電感器中,不會因前述鼓芯與屏蔽磁芯磁化導致的相互吸引而產生嘯叫。但在無屏蔽型產品中會發生其他問題。由于無屏蔽型產品為開放磁路結構,因此漏磁通會對繞粗產生作用。由于繞組中會流過電流,因此根據佛來明左手定則,力會作用于繞組上。為此,當交流電流流過繞組時,繞組本身會發生振動,從而產生嘯叫(圖7)。
圖7:磁通導致繞組振動
直流穩壓電源電路設計中如何應對電容電感刺耳的“嘯叫”聲
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將會被放大,從而會聽到嘯叫。
噪音放大原因? 漏磁通導致對周邊磁性體產生作用
 
當電感器附近存在屏蔽罩等磁性體時,磁性體會因電感器漏磁通影響產生振動,從發生嘯叫。
噪音放大原因? 與包括基板在內的組件整體固有振動數一致
 
通常情況下,用于電感器等產品中的小型磁性體磁芯單體,其磁致伸縮導致的空氣振動基本不會被識別為嘯叫。但電感器由多個部件組合而成,且貼裝于基板上時,將會產生多個人耳可聽頻率的固有振動數,該振動放大后便會形成嘯叫。同時,若與組件整體的多個固有振動數相一致時,在安裝至組件中之后有可能會發生嘯叫。
圖8所示為,通過運用了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情況進行分析的示例。所使用的分析模型中,功率電感器配置于基板(FR4)中央,并對基板長邊2面進行了固定。
一般情況下,結構體發生共振的固有值(固有振動數)擁有多個,與此相應,會有各種各樣的振動模式。在該"功率電感器+基板"的分析模型中,隨著頻率的提高,各固有振動數也會出現各種各樣的振動模式。圖8所示的1次、2次、5次、18次振動模式中,功率電感器可能是振動源。其中,1次模式的振動頻率與功率電感器單體的振動頻率基本相同。但值得注意的是,Z方向(高度方向)振動較為顯著的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。 
 
以下就DC-DC直流穩壓電源轉換器的功率電感器嘯叫對策重點進行了總結。
重點1:避免流過人耳可聽頻率電流
 
避免流過人耳可聽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直流穩壓電源轉換器等無法避免人耳可聽頻率的通電時,請嘗試以下靜音化對策。
重點2:周圍不放置磁性體
 
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,則應使用漏磁通較少的屏蔽型(閉合磁路結構)的電感器,同時還應注意放置方向。
重點3:錯開固有振動數
 
有時通過錯開固有振動數或提高振動數可降低嘯叫。例如,通過變更電感器形狀、種類、布局、基板緊固等條件,包含基板的組件整體固有振動數將會發生變化。此外,嘯叫常見于7mm尺寸以上的大型功率電感器中。通過采用5mm以下的小型功率電感器,固有振動數將會提高,從而可降低嘯叫。
重點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,鼓芯與屏蔽磁芯會因磁性相互吸引,從而在間隙部位會發生嘯叫。同時,在無屏蔽型功率電感器中,漏磁通引起的電線振動會導致產生嘯叫。
針對此類功率電感器嘯叫問題,置換為金屬一體成型型是有效的解決方案。這是通過在軟磁性金屬磁粉中嵌入空心線圈后進行一體成型的功率電感器。由于沒有間隙,因此磁芯之間不會相互吸引,同時,由于固定線圈時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的問題。不僅如此,TDK的產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,通過置換無屏蔽型或全屏蔽型產品可有望降低嘯叫。
圖8:各類功率電感器的噪音評估示例
直流穩壓電源電路設計中如何應對電容電感刺耳的“嘯叫”聲直流穩壓電源電路設計中如何應對電容電感刺耳的“嘯叫”聲直流穩壓電源電路設計中如何應對電容電感刺耳的“嘯叫”聲
TDK的金屬一體成型型功率電感器可有效應對嘯叫,同時,漏磁通極少,因此還適合放置在信號線附近等位置。
同時,使用了鐵氧體磁芯的TDK功率電感器的特點在于,電感的種類更多,可應對較高的電感值。其量產性優異,多用于各類設備中。

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