为什么DC-DC转换器的功率电感器会发出“叽”的啸叫

在笔记本电脑、平板电脑、智能手机、电视机以及车载电子设备等运行时，有时会听到“叽”的噪音。该现象称为“啸叫”，导致该现象出现的原因可能在于电容器、电感器等被动元件。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。

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。

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。

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。

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。

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。

注释：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。

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

➀磁性体磁芯磁致伸缩(磁应变)作用

➁磁性体磁芯磁化导致相互吸引

➂漏磁通导致绕组振动

噪音放大原因

➀与其他元件接触

➁漏磁通导致对周边磁性体产生作用

➂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。

振动原因➀磁性体磁芯磁致伸缩(磁应变)

振动原因➁磁性体磁芯磁化导致相互吸引

振动原因➂漏磁通导致绕组振动

噪音放大原因➀ 与其他元件接触

噪音放大原因➁ 漏磁通导致对周边磁性体产生作用

噪音放大原因➂ 与包括基板在内的组件整体固有振动数一致

通过计算机模拟器对“功率电感器+基板”的振动情况进行分析的示例

《分析模型》功率电感器配置于基板(FR4)中央。

边界条件：固定基板长边2面。

1次模式 ：2034Hz

2次模式 ：2262Hz

5次模式 ：4048Hz

18次模式 ：16226Hz

以下就DC-DC转换器的功率电感器啸叫对策重点进行了总结。

避免流过人耳可听频率电流是最为基本的对策。

但以节能等为目的的间歇工作以及频率可变模式的DC-DC转换器等无法避免人耳可听频率的通电时，请尝试以下静音化对策。

不在电感器附近放置可能受漏磁通影响的磁性体(屏蔽罩等)。不得已需要接近时，则应使用漏磁通较少的屏蔽型(闭合磁路结构)的电感器，同时还应注意放置方向。

有时通过错开固有振动数或提高振动数可降低啸叫。例如，通过变更电感器形状、种类、布局、基板紧固等条件，包含基板的组件整体固有振动数将会发生变化。此外，啸叫常见于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，固有振动数将会提高，从而可降低啸叫。

如上所述，在全屏蔽型功率电感器中，鼓芯与屏蔽磁芯会因磁性相互吸引，从而在间隙部位会发生啸叫。同时，在无屏蔽型功率电感器中，漏磁通引起的电线振动会导致产生啸叫。

针对此类功率电感器啸叫问题，置换为金属一体成型型是有效的解决方案。这是通过在软磁性金属磁粉中嵌入空心线圈后进行一体成型的功率电感器。由于没有间隙，因此磁芯之间不会相互吸引，同时，由于固定线圈时使其与磁性体形成一体化，因此还可避免因磁通造成绕组振动的问题。不仅如此，TDK的产品还采用了磁致伸缩较小的金属磁性材料，因此可抑制因磁致伸缩导致的振动，通过置换无屏蔽型或全屏蔽型产品可有望降低啸叫。