DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器嘯叫的原因

來源：羅姆半導體社區(qū)

在筆記本電腦、平板電腦、智能手機、電視機以及車載電子設備等運行時，有時會聽到"嘰"的噪音。該現(xiàn)象稱為"嘯叫"，導致該現(xiàn)象出現(xiàn)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(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，有可能是DC-DC電路的電感嘯叫，也有可能是負載電流或電壓過大導致電感引起的噪聲，還有可能是電弧產(chǎn)生的原因等。本文中將就DC-DC轉(zhuǎn)換器等電源電路的主要元件——功率電感器的嘯叫原因進行介紹。

一、DC-DC轉(zhuǎn)換器間歇工作、頻率可變模式、負荷變動

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轉(zhuǎn)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(fā)生振動，或周期性脈沖群的周期頻率，或的周期頻率落入20~20kHz的音頻范圍，且周期性變化的電流經(jīng)過電感線圈而產(chǎn)生交變磁場，使得該電感線圈在交變磁場作用下像“喇叭”一樣在幾乎固定的頻率上產(chǎn)生機械振動而發(fā)出嘯叫。該現(xiàn)象稱為"線圈噪音"，有時也會被聽成嘯叫現(xiàn)象。

隨著電子設備的功能不斷強化，DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器也成為了噪音發(fā)生源之一。DC-DC轉(zhuǎn)換器通過開關器件進行ON/OFF，由此產(chǎn)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(wěn)定直流電流。該方式稱為PWM(脈沖調(diào)幅)，其作為DC-DC轉(zhuǎn)換器的主流方式獲得廣泛使用。但DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關頻率較高，達到數(shù)100kHz～數(shù)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轉(zhuǎn)換器的功率電感器會發(fā)出"嘰"的嘯叫呢？可能的原因有幾個，首先可能的是以節(jié)省電池電力等為目的，讓DC-DC轉(zhuǎn)換器進行間歇工作的情況，或?qū)C-DC轉(zhuǎn)換器從PWM方式切換為PFM(脈沖調(diào)頻)方式，在頻率可變模式下運行的情況。

二、PWM調(diào)光等DC-DC轉(zhuǎn)換器間歇工作導致的嘯叫

出于節(jié)能等目的，移動設備液晶顯示器背光自動調(diào)光功能等引進了DC-DC轉(zhuǎn)換器間歇工作。這是根據(jù)使用環(huán)境照度，對背光亮度進行自動調(diào)光，從而延長電池使用時間的系統(tǒng)。該調(diào)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(diào)光。PWM方式調(diào)光系統(tǒng)的優(yōu)點在于，調(diào)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(diào)光通過200Hz左右的較低頻率使DC-DC轉(zhuǎn)換器進行間歇工作，并通過反復進行亮燈/熄滅操作來調(diào)整亮度。在亮燈/熄滅的恒定循環(huán)中，調(diào)長亮燈時間時將會變亮，調(diào)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(fā)生振動，從而導致出現(xiàn)嘯叫。

三、頻率可變模式DC-DC轉(zhuǎn)換器導致的嘯叫

PWM方式DC-DC轉(zhuǎn)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(fā)生恒定開關損耗，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(diào)頻)方式的DC-DC轉(zhuǎn)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(xiàn)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(fā)生嘯叫。

四、負荷導致的嘯叫

出于節(jié)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(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頻率范圍時，功率電感器可能會因該影響而產(chǎn)生嘯叫。DC/DC芯片內(nèi)部有一個限流保護電路，當負載超過IC內(nèi)部的開關MOS管的最大電流時，限流電路檢測電路就會調(diào)整芯片內(nèi)部的占空比，或者停止工作，直到檢測負載電流在標準范圍內(nèi)時，再重新啟動正常的工作開關。如果從停止開關到重啟開關的時間周期正好是20~20kHz的頻率范圍內(nèi)，就會導致電感的的震動頻率被人聽到。負載電壓過高時，如果負載為空或輕負載，就會觸發(fā)過壓保護，停止開關，如果電壓降下來，就會重啟工作，從停止到重啟的時間周期容易落在音頻范圍內(nèi)。

審核編輯黃昊宇