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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、电感器等无源元件。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。( d: L$ ^" [" }. q. o7 Y7 h
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功率电感器啸叫原因
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1. 间歇工作、频率可变模式、负荷变动等可能导致人耳可听频率振动
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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(图1)。
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图1：功率电感器啸叫机制8 ^+ b/ j. X$ P) c$ r% N: o
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。' G0 j( |# y! C% `
! Z! i5 B+ x7 [/ u4 ]; o; s' b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？
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5 g2 e. z+ e! m' w0 L" _4 d: H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。
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![]() 图2：PWM(脉冲调幅)方式与PFM(脉冲调频)方式- d8 x8 ?( _. N1 |6 A$ ~
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2. PWM调光等DC-DC转换器间歇工作导致的啸叫! m1 }+ |! E4 K+ I; n
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。
" C- T& q0 H9 v0 v' B/ ]! ~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。( t5 f' k) Z$ a
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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。& h+ R, `! v5 ]- G
注释：占空比
9 B+ u X+ d! a$ S& f& v; oDC-DC转换器中，相对于开关周期(开关器件的ON时间+OFF时间)的ON时间比称为占空比。对LED进行PWM调光时，亮灯时间/(亮灯时间＋熄灯时间)称为占空比，并表示亮度。3 c { [- L# v; R1 q! z
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3. 频率可变模式DC-DC转换器导致的啸叫
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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。+ v' s; Y s* B/ r% O% s. T
. P; \/ k9 I* Y3 c, s& D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。4 R. H: T" x- y, J! l5 w
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4. 负荷导致的啸叫8 e$ g3 W+ `4 h) d1 j
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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。
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" R. J; b' s G1 K. J! a1 g1 Y) q: h' o注释：DC-DC转换器中功率电感器的作用
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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。
, K4 \ x0 i' H7 a7 I3 X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。
1 h6 g; }) @7 H6 k9 T6 P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。7 T- C8 {- O6 n" g6 J: S) r- Z
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图3：DC-DC转换器(非绝缘型及斩波方式)基本电路
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功率电感器主体振动以及噪音扩大的机制
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发表于 2020-4-29 10:02
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发表于 2020-12-18 10:14
