DC-DC转换器的功率电感器啸叫的原因

来源：罗姆半导体社区

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，有可能是DC-DC电路的电感啸叫，也有可能是负载电流或电压过大导致电感引起的噪声，还有可能是电弧产生的原因等。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进行介绍。

一、DC-DC转换器间歇工作、频率可变模式、负荷变动

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，或周期性脉冲群的周期频率，或的周期频率落入20~20kHz的音频范围，且周期性变化的电流经过电感线圈而产生交变磁场，使得该电感线圈在交变磁场作用下像“喇叭”一样在几乎固定的频率上产生机械振动而发出啸叫。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。

二、PWM调光等DC-DC转换器间歇工作导致的啸叫

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。

三、频率可变模式DC-DC转换器导致的啸叫

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，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。

四、负荷导致的啸叫

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。DC/DC芯片内部有一个限流保护电路，当负载超过IC内部的开关MOS管的最大电流时，限流电路检测电路就会调整芯片内部的占空比，或者停止工作，直到检测负载电流在标准范围内时，再重新启动正常的工作开关。如果从停止开关到重启开关的时间周期正好是20~20kHz的频率范围内，就会导致电感的的震动频率被人听到。负载电压过高时，如果负载为空或轻负载，就会触发过压保护，停止开关，如果电压降下来，就会重启工作，从停止到重启的时间周期容易落在音频范围内。

审核编辑黄昊宇