來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

在筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)、電視機(jī)以及車(chē)載電子設(shè)備等運(yùn)行時(shí)，有時(shí)會(huì)聽(tīng)到"嘰"的噪音。該現(xiàn)象稱(chēng)為"嘯叫"，導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能在于電容器、電感器等無(wú)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(fù)雜，有可能是DC-DC電路的電感嘯叫，也有可能是負(fù)載電流或電壓過(guò)大導(dǎo)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(jìn)行介紹。

一、DC-DC轉(zhuǎn)換器間歇工作、頻率可變模式、負(fù)荷變動(dòng)

聲波是在空氣中傳播的彈性波，人的聽(tīng)覺(jué)可聽(tīng)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(dāng)流過(guò)人耳可聽(tīng)范圍頻率的交流電流以及脈沖波時(shí)，電感器主體會(huì)發(fā)生振動(dòng)，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(guò)電感線(xiàn)圈而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使得該電感線(xiàn)圈在交變磁場(chǎng)作用下像“喇叭”一樣在幾乎固定的頻率上產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而發(fā)出嘯叫。該現(xiàn)象稱(chēng)為"線(xiàn)圈噪音"，有時(shí)也會(huì)被聽(tīng)成嘯叫現(xiàn)象。

隨著電子設(shè)備的功能不斷強(qiáng)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(guò)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行ON/OFF，由此產(chǎn)生脈沖狀電流。通過(guò)控制ON的時(shí)間長(zhǎng)度(脈寬)，可得到電壓恒定的穩(wěn)定直流電流。該方式稱(chēng)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(kāi)關(guān)頻率較高，達(dá)到數(shù)100kHz～數(shù)MHz，由于該頻率振動(dòng)超出了人耳可聽(tīng)范圍，因此不會(huì)感受到噪音。那么，為什么DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器會(huì)發(fā)出"嘰"的嘯叫呢？可能的原因有幾個(gè)，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(jìn)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(yùn)行的情況。

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

出于節(jié)能等目的，移動(dòng)設(shè)備液晶顯示器背光自動(dòng)調(diào)光功能等引進(jìn)了DC-DC轉(zhuǎn)換器間歇工作。這是根據(jù)使用環(huán)境照度，對(duì)背光亮度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光，從而延長(zhǎng)電池使用時(shí)間的系統(tǒng)。該調(diào)光有多種方式，其中，控制LED亮燈時(shí)間及熄燈時(shí)間長(zhǎng)度的方式稱(chēng)為PWM調(diào)光。PWM方式調(diào)光系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(guò)200Hz左右的較低頻率使DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行間歇工作，并通過(guò)反復(fù)進(jìn)行亮燈/熄滅操作來(lái)調(diào)整亮度。在亮燈/熄滅的恒定循環(huán)中，調(diào)長(zhǎng)亮燈時(shí)間時(shí)將會(huì)變亮，調(diào)短時(shí)則會(huì)變暗。在200Hz左右的間歇工作中，眼睛基本上不會(huì)察覺(jué)背光頻閃情況。但由于其處于人耳可聽(tīng)頻率中，因此當(dāng)基板上貼裝的功率電感器中流過(guò)間歇工作的電流時(shí)，電感器主體將會(huì)因頻率影響而發(fā)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)嘯叫。

三、頻率可變模式DC-DC轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致的嘯叫

PWM方式DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)在于，在普通工作中，其效率可高達(dá)大約80~90%以上。但待機(jī)時(shí)間等輕負(fù)荷情況下，效率將會(huì)嚴(yán)重降低。開(kāi)關(guān)造成的損耗與頻率成正比。為此，在輕負(fù)荷情況下會(huì)發(fā)生恒定開(kāi)關(guān)損耗，會(huì)使效率降低。因此，為了改善該問(wèn)題，在輕負(fù)荷情況下使用自動(dòng)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(fù)荷減輕，在固定ON時(shí)間的情況下，對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行控制的方式。由于ON時(shí)間恒定，因此通過(guò)延長(zhǎng)OFF時(shí)間，開(kāi)關(guān)頻率將會(huì)漸漸降低。由于開(kāi)關(guān)損耗與頻率成正比，因此通過(guò)降低頻率可在輕負(fù)荷情況下實(shí)現(xiàn)高效化。但降低后的頻率將會(huì)進(jìn)入人耳可聽(tīng)的約20~20kHz的范圍，此時(shí)功率電感器將會(huì)發(fā)生嘯叫。

四、負(fù)荷導(dǎo)致的嘯叫

出于節(jié)省電池電力的目的，筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備中運(yùn)用有各類(lèi)省電技術(shù)，為此可能會(huì)導(dǎo)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(dāng)該周期處于人耳可聽(tīng)頻率范圍時(shí)，功率電感器可能會(huì)因該影響而產(chǎn)生嘯叫。DC/DC芯片內(nèi)部有一個(gè)限流保護(hù)電路，當(dāng)負(fù)載超過(guò)IC內(nèi)部的開(kāi)關(guān)MOS管的最大電流時(shí)，限流電路檢測(cè)電路就會(huì)調(diào)整芯片內(nèi)部的占空比，或者停止工作，直到檢測(cè)負(fù)載電流在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)，再重新啟動(dòng)正常的工作開(kāi)關(guān)。如果從停止開(kāi)關(guān)到重啟開(kāi)關(guān)的時(shí)間周期正好是20~20kHz的頻率范圍內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致電感的的震動(dòng)頻率被人聽(tīng)到。負(fù)載電壓過(guò)高時(shí)，如果負(fù)載為空或輕負(fù)載，就會(huì)觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)，停止開(kāi)關(guān)，如果電壓降下來(lái)，就會(huì)重啟工作，從停止到重啟的時(shí)間周期容易落在音頻范圍內(nèi)。

審核編輯黃昊宇