功率電感噪音的原因&4個解決方法
2023.6.2
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目錄
1. 功率電感器振動和噪音原因
2. 功率電感器主體振動和噪音擴大系统
3. 振動的各種原因和作用
4. 噪音放大的各種原因
5. 功率電感噪音的4個解決方案
在家用電子設備和汽車電子設備等運行時，有時會產生"吱吱"的噪音。該現象稱為"嘯叫"，電感器的噪音，有非常多的原因，非常複雜。本文介绍了功率電感器的噪音原因和有效的解决方案。
1、功率電感器振動和噪音原因
在DC-DC轉換器的功率電感通電工作時，當流過人耳可聽範圍頻率的交流電流及其脈衝波時，電感器線圈會隨負載的變化而輕微振動，產生的聲波恰好被人耳聽到，該現象被稱為"線圈噪音"，有時也會被聽成嘯叫現象(圖1)。
① 在輸出功率模式中，負荷的變動等因素可能導致人耳可聽頻率振動，電感器振動產生的聲波是在空氣中傳播的彈性波，人可聽到大約20Hz～20KHz工作頻段的"聲音"。在DC-DC轉換器的功率電感通電工作時，當流過人耳可聽範圍頻率的交流電流及其脈衝波時，電感器線圈會隨負載的變化而輕微振動，產生的聲波恰好被人耳聽到，該現象被稱為"線圈噪音"，有時也會被聽成嘯叫現象(圖1)。
5. 功率電感噪音的4個解決方案
在家用電子設備和汽車電子設備等運行時，有時會產生"吱吱"的噪音。該現象稱為"嘯叫"，電感器的噪音，有非常多的原因，非常複雜。本文介绍了功率電感器的噪音原因和有效的解决方案。
1、功率電感器振動和噪音原因
在DC-DC轉換器的功率電感通電工作時，當流過人耳可聽範圍頻率的交流電流及其脈衝波時，電感器線圈會隨負載的變化而輕微振動，產生的聲波恰好被人耳聽到，該現象被稱為"線圈噪音"，有時也會被聽成嘯叫現象(圖1)。
① 在輸出功率模式中，負荷的變動等因素可能導致人耳可聽頻率振動，電感器振動產生的聲波是在空氣中傳播的彈性波，人可聽到大約20Hz～20KHz工作頻段的"聲音"。在DC-DC轉換器的功率電感通電工作時，當流過人耳可聽範圍頻率的交流電流及其脈衝波時，電感器線圈會隨負載的變化而輕微振動，產生的聲波恰好被人耳聽到，該現象被稱為"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 )
隨著電子設備功能的不斷增強，越來越多的電感器應用在電子設備上，而DC-DC轉換器的功率電感器也成為了噪音源之一。
DC-DC功率電感由開關設備進行ON/OFF，脈衝電流由此產生。電壓恆定的穩定直流電流可通過控制ON的時間長度(脈寬)獲得。這種方法被稱為PWM(脈沖調幅)，廣泛應用於DC-DC轉換器的主要方法。
② DC-DC轉換器間歇工作引起的嘯叫，如PWM調光
為了節能，DC-DC轉換器間歇工作引入了移動終端液晶顯示器的背光自動變光功能。這是一個基於使用場景照明的軟體，可以自動更改背光光澤，從而增加電池的使用時間。 操作LED照明時間和關閉時間長度的形式稱為PWM變光器。 PWM變光系統的優點是調光引起的色度變化較少，其核心用於筆記本及其平板電腦的背光。
PWM變光器通過200Hz左右的低頻率使DC-DC轉換器進行間歇性工作，並通過反覆亮燈/熄滅操作調節亮度。 在亮燈/熄滅的穩定迴圈中，調長燈光時間可能會變亮，調短時間會變暗。 在200Hz左右的間歇工作中，眼睛基本上不會發現背光閃爍。 然而，由於它處於人耳可聽頻率中，當間歇工作電流流過基板上貼片的功率電感器時，電感器主體會因頻率的影響而振動，導致嘯叫。
③ DC-DC轉換器引起的嘯叫
PWM方式的DC-DC轉換器特點在於普通工作中，其效率可達80~90%以上。 然而，電池壽命在待機等輕負荷的前提下，效率會嚴重降低。 開關造成的消耗與頻率呈現正相關。 因此，穩定的開關損耗會發生在輕負荷下，從而降低效率。
為了改善此問題，PWM方法應在輕負載的前提下自動替換為PFM（脈衝調頻）方式的DC-DC轉換器。 PFM模式是在固定ON時間下控制開關頻率的形式，配合負載緩解。 由於ON時間穩定，開關頻率可能會根據OFF時間的增加而逐漸降低。 由於開關損耗與頻率成正比，在輕負載的前提下可以降低頻率。 但減少後的頻率可能會進入20Hz~20KHz左右的人耳可聽範疇，此時功率電感器會產生嘯叫。
④ 負荷引起的嘯叫
為了節省電池功率。筆記型電腦等行動終端採用各種節能技術，可能導致電感器嘯叫。 例如，由於低功耗及其處理能力，筆記型電腦CPU具有定期變化消耗電流的方式。 當該周期處於人耳可聽的工作頻段時，功率電感器可能會因受影響而產生嘯叫。
2、 功率電感器主體振動和噪音擴大系统
當流過人耳可聽範圍頻率的電流時，功率電感器主體發生的振動會引起嘯叫。
其振動原因及其噪音原因可能如下。
【振動原因】:
➀ 鐵氧體磁芯磁化導致相互吸引
➁ 磁致伸縮(磁應變)鐵氧體磁芯的功效
➂ 漏磁引起繞組振動
【噪音放大原因】:
➀ 漏磁通導致對周邊鐵氧體產生作用
➁ 與其他元件接觸
➂ 包括基板在內的組件整體固有振動數一致
(圖2說明導致產生功率電感器嘯叫的振動原因，以及噪音擴大原因)
以下對這些原因的主要內容進行說明。
DC-DC功率電感由開關設備進行ON/OFF，脈衝電流由此產生。電壓恆定的穩定直流電流可通過控制ON的時間長度(脈寬)獲得。這種方法被稱為PWM(脈沖調幅)，廣泛應用於DC-DC轉換器的主要方法。
② DC-DC轉換器間歇工作引起的嘯叫，如PWM調光
為了節能，DC-DC轉換器間歇工作引入了移動終端液晶顯示器的背光自動變光功能。這是一個基於使用場景照明的軟體，可以自動更改背光光澤，從而增加電池的使用時間。 操作LED照明時間和關閉時間長度的形式稱為PWM變光器。 PWM變光系統的優點是調光引起的色度變化較少，其核心用於筆記本及其平板電腦的背光。
PWM變光器通過200Hz左右的低頻率使DC-DC轉換器進行間歇性工作，並通過反覆亮燈/熄滅操作調節亮度。 在亮燈/熄滅的穩定迴圈中，調長燈光時間可能會變亮，調短時間會變暗。 在200Hz左右的間歇工作中，眼睛基本上不會發現背光閃爍。 然而，由於它處於人耳可聽頻率中，當間歇工作電流流過基板上貼片的功率電感器時，電感器主體會因頻率的影響而振動，導致嘯叫。
③ DC-DC轉換器引起的嘯叫
PWM方式的DC-DC轉換器特點在於普通工作中，其效率可達80~90%以上。 然而，電池壽命在待機等輕負荷的前提下，效率會嚴重降低。 開關造成的消耗與頻率呈現正相關。 因此，穩定的開關損耗會發生在輕負荷下，從而降低效率。
為了改善此問題，PWM方法應在輕負載的前提下自動替換為PFM（脈衝調頻）方式的DC-DC轉換器。 PFM模式是在固定ON時間下控制開關頻率的形式，配合負載緩解。 由於ON時間穩定，開關頻率可能會根據OFF時間的增加而逐漸降低。 由於開關損耗與頻率成正比，在輕負載的前提下可以降低頻率。 但減少後的頻率可能會進入20Hz~20KHz左右的人耳可聽範疇，此時功率電感器會產生嘯叫。
④ 負荷引起的嘯叫
為了節省電池功率。筆記型電腦等行動終端採用各種節能技術，可能導致電感器嘯叫。 例如，由於低功耗及其處理能力，筆記型電腦CPU具有定期變化消耗電流的方式。 當該周期處於人耳可聽的工作頻段時，功率電感器可能會因受影響而產生嘯叫。
2、 功率電感器主體振動和噪音擴大系统
當流過人耳可聽範圍頻率的電流時，功率電感器主體發生的振動會引起嘯叫。
其振動原因及其噪音原因可能如下。
【振動原因】:
➀ 鐵氧體磁芯磁化導致相互吸引
➁ 磁致伸縮(磁應變)鐵氧體磁芯的功效
➂ 漏磁引起繞組振動
【噪音放大原因】:
➀ 漏磁通導致對周邊鐵氧體產生作用
➁ 與其他元件接觸
➂ 包括基板在內的組件整體固有振動數一致
(圖2說明導致產生功率電感器嘯叫的振動原因，以及噪音擴大原因)
以下對這些原因的主要內容進行說明。
(圖2. 導致產生功率電感器嘯叫的振動原因以及擴大原因)
3、振動的各種原因和作用
振動原因➀：鐵氧體磁芯磁致伸縮（磁應變）
磁場磁化鐵氧體后，其形狀會略有變化。 這種現象被稱為「磁致伸縮」或「磁應變」。 在以鐵氧體等磁性體為磁芯的電感器中，繞組形成的交流磁場會膨脹鐵氧體的磁芯，有時會檢測到其振動聲。
(圖3：鐵氧體磁致伸縮（磁應變）作用)
磁性範疇內的原子磁矩朝向相同，因此磁性範疇是一種自發磁化朝向恆定的微磁石，但鐵氧體一般不顯示磁石的特性。 這是因為鐵氧體的多個磁性範疇的排列使自發磁化相互抵消，因此表面處於去磁狀態。
在磁化過程中，在原子水準下可以發生微妙的位置變化，在宏觀水準下可以表現為磁致伸縮，即鐵氧體的外觀變化。
磁致伸縮引起的外觀變化極其微妙，約為原尺寸的萬分之一~100萬分之一，但如圖3所示，當施加形成的交流磁場時，鐵氧體可能會反覆膨脹並產生振動。
因此，在功率電感中，磁致伸縮引起的鐵氧體磁芯振動無法完全去除。雖然單個振動水準的功率電感器很小，但當貼片到基板時，如果振動與基板的固有振動數一致，振動就會被放大，從而聽到嘯叫。
震動原因 ➁：鐵氧體磁芯磁化引起相互吸引
當鐵氧體被外部磁場磁化時，它會顯示磁鐵的特性，吸引周圍的鐵氧體。 如（圖4）所示，為全屏蔽型功率電感實例。 這是一種關閉磁路結構的功率電感，但工字磁芯與屏蔽磁環之間有間隙，雜訊有時從此處傳出。
(圖4：工字磁芯與屏蔽磁環相互吸引導致嘯叫)
交流電流流過繞組時，磁化的鼓芯和屏蔽磁環可能會因磁性而相互吸引。 如果振動在人耳可聽的工作頻段內，就會聽到噪音。
鼓芯與遮罩磁環之間的間隙根據黏合劑關閉，但為了避免應力裂紋，不會使用硬材料，也不能完全抑制相互吸引造成的振動。
震動原因 ➂ ：漏磁通導致繞組振動
在沒有遮罩磁芯非遮罩功率電感的情況下，由於上述鼓芯和遮罩磁環的磁化而引起的繞組振動不會產生嘯叫，但在非遮罩產品中會出現其他問題。
由於非遮罩產品為開放式磁路結構，漏磁通常會使繞組產生效果。 根據弗萊明左手定則，力會在繞組上起作用，因為繞組會流過電流。 因此，當交流電流流過繞組時，繞組本身就會振動，產生嘯叫（圖5）。
(圖5：磁通導致繞組振動)
4、噪音放大的各種原因
➀ 與其他部件接觸在高密度配備多個電子元件和設備的電源電路基板中。 如果電感與其他部件接觸，電感的微妙振動將被放大，從而聽到嘯叫。
➁ 漏磁通導致對周邊鐵氧體產生作用
當電感器周圍有屏蔽罩等鐵氧體時，鐵氧體會因電感洩漏而產生振動產生嘯叫。
➂ 與包括基板在內的組件整體固有振動數一致
一般情況下，電感器等產品中使用的小型鐵氧體磁芯與包括基板在內的部件的整體固有振動數一致，其磁致伸縮引起的空氣振動基本不被認為是噪音。 但是，當電感由多個部件組成，並且貼在基板上時，會產生多個人耳可聽頻率的固有振動數，振動放大後會產生噪音。同時，如果與整個部件的多個固有振動數一致，則在安裝到元件中後可能會產生嘯叫。
5、功率電感噪音的4個解決方法
• 以下是DC-DC轉換器功率電感器雜訊的四個解決方案。
• 關鍵 1 ：防止流過人耳可聽頻率電流
最基本的對策是防止流過人耳可聽頻率電流。 但是，當以節能為目的的間歇工作和頻率可變方式的DC-DC轉換器無法防止人耳可聽頻率通電時，請嘗試以下靜音化的解決方式。
• 關鍵 2 ：周圍不放置鐵氧體
如果不放置在電感周圍，鐵氧體（屏蔽罩等）可能會受到洩漏磁通的影響。 當必須靠近時，應選擇較少洩漏磁通的屏蔽罩電感（關閉磁路結構），並注意放置方向。
PS： 例如使用高創科技 GSTC、GSTM系列 一體成型模壓電感，具有最佳的遮罩效果。
• 關鍵 3 ：錯開固有振動數
有時可透過錯開固有振動數或提高振動數來降低嘯叫。 例如，改變電感的形狀、類型、佈局、基板緊固等因素，包括基板元件的整體固有振動數將發生變化。 此外，雜訊在7mm以上的大功率電感器中很常見。 固有振動數可以通過使用5mm以下的小功率電感器來提高，從而降低叫嘯。
• 關鍵 4 ：更換為一體成形電感
如上述，在全屏蔽功率电感器中，鼓芯和屏蔽磁芯会因磁性而相互吸引，導致間隙位置會產生嘯叫。(例如:高創科技 GSBS系列
) 而在無遮罩功率電感器中(例如: 高創科技 GSDR系列 
) ，漏磁通引起的電線振動也會引起嘯叫。對於功率電感器的雜訊問題，更換為一體成型電感是一個有用的解決方案 (例如: 高創科技 GSTM系列
) 。這是通過將空心線圈放入軟磁性金屬磁粉中進行一體成型的功率電感。 由於沒有間隙，磁芯不會相互吸引，同時，由於固定線圈時與鐵氧體一體化，可以避免磁通引起的繞組振動問題。不僅如此，高創科技商品還採用磁致伸縮小的金屬磁性材料，可以抑制磁致伸縮引起的振動。 從磁性元件討論的角度來看，以一體成型電感器取代無屏蔽或全屏蔽的傳統組裝式電感器可有望降低嘯叫。
▶全屏蔽型與一體成型電感的噪音比較 :
以下是以全屏蔽組裝電感 （高創科技 GSBS系列，規格約12x12x6 mm）及一體成型功率電感（高創科技 GSTM系列，約12x12x6mm規格）作為測量樣品，對雜訊的產生進行了分析比較。
將麥克風安裝在消音箱內，使用0A~額定電壓的正弦波電流對安裝在基板上的測量樣本通電60秒，並以20Hz~20KHz的人耳可聽頻率進行掃頻，記錄其峰值聲壓。
如下圖所示，比較兩種不同型式的電感器，可以發現聲壓等級因頻率而異。
• 全屏蔽型組裝式電感:
30~50dB左右水平雜訊在大規模頻段內產生。
• 新型一體成型電感 :
在類別頻段中， 它與背景雜訊處於同樣的低水準，即使在峰值位置，它比全屏蔽型組裝式電感抑制了大約18dB。 抑制18db意味著只有十分之一的水準，這表示更換為一體成型電感是一種有效的方法。
(圖6：各類功率電感器的噪音評估示例)
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