电感啸叫原因与应对措施

大部分硬件工程师应该都遇到过,PCBA上电后出现“滋滋滋”的叫声,其声响或大或小,或时有时无,或深沉或刺耳,或变化无常者皆有。该现象我们称为“啸叫”,一般分为电感啸叫和电容啸叫。

其中电感啸叫最为常见,尤其在DCDC电路中,大部分是因为 器件参数选择不合理 导致的。

啸叫原理:

周期性电流经过电感线圈产生交变磁场,该电感线圈在交变磁场作用下产生振动而发出声音,这种周期频率如果是人耳听觉范围内,则会产生啸叫。

人耳的听觉频率范围是20~20KHz,DCDC的开关频率一般在100k~1MHz之间。

一、电感啸叫原因

由于负载不稳定、轻载过载或者感值容值不合适等因素,开关电源自我调节,不同芯片有不同处理方式:有的降低频率,有的周期性丢脉冲即表现为间歇工作;导致电感的phase不稳定,输出开关电流的频率落入音频范围,或者周期性方波群的周期频率落入音频范围,形成啸叫。

啸叫原因一:轻载导致DCDC降低频率

PWM方式特点在于普通工作中效率很高大于80%,但是待机等轻载模式下,由于开关损耗与频率成正比,所以效率会严重降低。为了改善该问题,在轻载情况下使用自动将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。降低频率可以实现能量转换高效化,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。

啸叫原因二:过载导致DCDC间歇工作

DCDC内部限流保护电路,当检测到负载电流过大,会立即调整DAC内部开关占空比,或者停止开关工作,直到检测到负载电流在标准范围内,再重新启动开关工作;如果这个从停止到启动的周期正好是K级频率,容易产生啸叫被人耳听到。

啸叫原因三:节能导致DCDC间歇工作

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。调光方式有多种,其中PWM方式优点是色度变化小。

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,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。

啸叫原因四:负载间歇变化

出于节能目的,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。

二、啸叫调试思路

1- 找到啸叫电感

通过观察,排除等方法,找到具体啸叫的电感和对应电路模块;

2- 查询DCDC手册

重点查看DCDC功率与负载是否匹配;

DCDC是否具有节能模式,节能模式一般分为DCM(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式和CCM(Continuous Conduction Mode)连续导通模式。

如果有需要将IC的模式设置为PWM only,然后去看电感phase端的波形。

3- 检查电路和参数

计算感值和容值参数是否合适,电路是否与模式匹配;

提高输入开关电流的频率;频率提高,电感和电容的参数可适当降低;

当输入输出差值较大,周期性丢弃脉冲的芯片来说,可以降低频率;

反馈电阻并联电容,调整零点极点;

确定电感的饱和电流和热电流足够应付负载功率,超过的话电感值会下降;

降低负载电流或者更换大功率电源;

稳定占空比,确保控制环路小信号不被干扰,占空比在正常范围;

4- 改善电感工艺

选择带屏蔽,浸漆功率电感。

三、电感啸叫实例

将之前DCM(低功耗)应用良好的电路,直接搭建在负载为30mA的电路中,出现4.7mH电感啸叫现象(示波器测试PWM发现出现周期性丢脉冲现象);

检查发现是DCDC两种电路(DCM和CCM)的LC值要求不一样,调整L电感为220uH、或者电容调整为100uF后啸叫消失。

低功耗应用
正常功耗应用

对比两种模式下,外围电路差别:

1)调制频率不一样,CCM较高,DCM较低;

2)LC值不一样,CCM较低,DCM较高;

3)补偿电路参数不一样;

经验:需要针对不同负载场景搭建不同电路,内部调制模式DCM(低功耗)和CCM(正常)的切换是依靠负载来定,不是外围电路决定的

反例测试-搭建CCM电路,将负载调整到8mA较低功耗时,PWM出现DCM波形。

 

作者:极客石头

在搞事情的路上越走越远。

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