电路中“啸叫”的原因和对策

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧!

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。

功率电感器以及陶瓷电容的啸叫原因以及有效对策进行介绍。

1、什么是啸叫？

“啸叫”通常指的是一种高频、尖锐、持续的噪音或声音。在技术和电子领域，啸叫常常是指电路中的一种异常声音，类似于哨声或尖锐的嗡嗡声。这种声音通常是由于电路的不稳定性、振荡或其他干扰因素引起的。

在电路中，啸叫声可能是由于反馈回路、电源纹波、元件损坏、电磁干扰或其他电路问题引起的。这种声音不仅可以影响设备的正常工作，还可能是电路性能不稳定或存在故障的标志。

我们小时候，大人说电视机里面发出一种“电流的声音”，其实我们知道电流本身没有声音！声音是机械能，那么一定是振动才会导致的声音。

2、一般什么频率才会啸叫

啸叫声通常与振荡频率有关，而振荡频率又取决于电路的特性以及工作条件。一般来说，啸叫声的频率可以在听觉范围内，即20 Hz到20kHz之间。在电路中产生啸叫的频率可能在这个范围内，但具体取决于以下因素：

1. 电路的特性： 不同类型的电路和元件有不同的频率响应。例如，某些电感和电容组合的电路可能在特定频率上振荡，导致啸叫声。
2. 工作频率： 如果电路工作在高频范围，那么振荡和啸叫的频率可能会在听觉范围内。一些射频（无线电频率）电路或高频交流电路可能更容易产生听得到的噪声。
3. 电源频率： 如果电源的频率或其谐波处于听觉范围内，可能会在电路中引入噪声。例如，50 Hz或60 Hz的交流电电源频率及其谐波可能引起听得到的噪声。
4. 非线性效应： 当电路中存在非线性元件时，可能会发生频率倍增，产生高频的振荡。这些高频成分有时也可以被听到。

3、电感发声啸叫的原因

电感在电路中发出啸叫声通常是由于电感本身的特性和电路中的其他因素相互作用引起的。

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。

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)。

功率电感器啸叫机制

电感在电路中发出啸叫声通常是由于电感本身的特性和电路中的其他因素相互作用引起的。以下是一些可能导致电感啸叫的原因：

振动的原因：

① 磁性体磁芯磁致伸缩（磁应变）

对磁性体施加磁场使其磁化后，其外形会发生细微变化。该现象称为”磁致伸缩”或”磁应变”。以铁氧体等磁性体为磁芯的电感器中，绕组所产生的交流磁场会使磁性体磁芯发生伸缩，有时会检测到其振动声。

图5：磁性体磁致伸缩（磁应变）作用

磁性体是称为磁畴的小范围的集合体。磁畴内部的原子磁矩朝向相同，因此磁畴是一个自发磁化朝向恒定的微小磁铁，但磁性体整体却不会表现出磁铁的特性。这是因为，构成磁性体的多个磁畴，其排列使自发磁化相互抵消，因此从表面上来看处于消磁状态。

从外部对处于该消磁状态的磁性体施加磁场时，各个磁畴会将自发磁化朝向统一为外部磁场方向，因此磁畴范围会逐渐发生变化。该现象由磁畴间边界——磁壁的移动所引起。由此，随着磁化的进行，处于优势的磁畴逐渐扩大其范围，最终成为单一磁畴，并朝向外部磁场方向（饱和磁化状态）。该磁化过程中，在原子水平下会发生微小的位置变化，而在宏观水平下，则会表现为磁致伸缩，即磁性体的外形变化。
磁致伸缩导致的外形变化极其微小，约为原尺寸的1万分之1～100万分之1，但如图5所示，在磁性体上绕有线圈的状态下流过电流，当施加所产生的交流磁场时，磁性体将会反复伸缩，并产生振动。为此，在功率电感器中，无法完全消除磁致伸缩所导致的磁性体磁芯振动。功率电感器单体振动水平虽小，但当贴装至基板上时，若其振动与基板的固有振动数一致，则振动将会被放大，从而会听到啸叫。

②磁性体磁芯磁化导致相互吸引

鼓芯与屏蔽磁芯相互吸引导致啸叫

磁性体被外部磁场磁化时将会表现出磁铁性质，从而与周围磁性体相互吸引。图6所示为全屏蔽型功率电感器示例。此为闭合磁路结构的功率电感器，但鼓芯与屏蔽磁芯(环形磁芯)间设有间隙，噪音有时会从该处发出。绕组中流过交流电流时，因产生的磁场而被磁化的鼓芯与屏蔽磁芯将会因磁力而相互吸引，若该振动在人耳可听频率范围内时，则会听到噪音。

鼓芯与屏蔽磁芯之间的间隙通过粘接剂进行封闭，但为了防止因应力产生开裂，因此不会使用较硬的材料，从而无法完全抑制因相互吸引所导致的振动。

➂漏磁通导致绕组振动

不带有屏蔽磁芯的无屏蔽型功率电感器中，不会因前述鼓芯与屏蔽磁芯磁化导致的相互吸引而产生啸叫。但在无屏蔽型产品中会发生其他问题。由于无屏蔽型产品为开放磁路结构，因此漏磁通会对绕组产生作用。由于绕组中会流过电流，因此根据佛来明左手定则，力会作用于绕组上。为此，当交流电流流过绕组时，绕组本身会发生振动，从而产生啸叫。

磁通导致绕组振动

啸叫被放大原因

➀ 与其他元件接触

在高密度贴装有多个电子元件及设备的电源电路基板中，若电感器与其他元件接触，则电感器的微小振动将会被放大，从而会听到啸叫。

➁ 漏磁通导致对周边磁性体产生作用

当电感器附近存在屏蔽罩等磁性体时，磁性体会因电感器漏磁通影响产生振动，从发生啸叫。

➂ 共振：与包括基板在内的组件整体固有振动数一致

通常情况下，用于电感器等产品中的小型磁性体磁芯单体，其磁致伸缩导致的空气振动基本不会被识别为啸叫。电感器由多个部件组合而成，且贴装于基板上时，将会产生多个人耳可听频率的固有振动数，该振动放大后便会形成啸叫。同时，若与组件整体的多个固有振动数相一致时，在安装至组件中之后有可能会发生啸叫。

4、在什么情况下电感容易啸叫

（1）大功率开关电源重载的啸叫。相信大家遇到过这种情况，开关电源在满载后突然将电源短路测试，有时会听到电源有啸叫的情况；或者是在设置电流保护时，当电流调试到某一段位，会有啸叫，其啸叫的声音抑扬顿挫，甚是烦人，究其原因主要如下：

当所带负载接近电源的输出功率极限时，开关变压器会工作在非稳态：在第一个周期由于开关管占空比过大、导通时间太长，通过变压器向后级传输了过多的能量。直流整流电路的储能电感无法在第二个周期内完全释放第一个周期存储的能量。当第三个周期到来时，电源芯片将不会让开关管导通，或者让开关管导通的占空比很小。这样，储能电感存储的能量经过第二个和第三个周期的释放，导致输出电压下降。这样，第四个周期到来时，电源芯片会驱动开关管导通过大的一个占空比……这样周而复始，就会让变压器产生低频振动，从而发出人耳可以听到的声音。电源工作在非稳态时，输出的纹波电压也比工作在正常状态时大很多。当开关管全截止的周期数在总的周期数中所占的比例达到一定占比时，电源的开关频率就从高频范围进入了音频范围，从而发出尖锐的“啸叫”。此时的变压器已经处于严重超载状态，随时可能烧毁。有些读者可能经历过电源烧毁前的“惨叫”。

（2）空载或负载很轻时。开关管也会出现间歇性的全截止周期，此时变压器也处于超载状态，可以在输出端增加假负载来解决这个问题。另外，在空载或轻载场景，变压器工作时产生的反电势无法被很好地吸收，导致很多杂波信号耦合到变压器的一次绕阻和二次绕阻。当这些杂波中的低频分量与变压器的固有振荡频率一致时，就会发生谐振。为了避免谐振频率落入音频范围，可以在电路中增加选频回路，滤除低频分量。

（3）变压器浸漆不良。包括未含浸凡立水(Varnish，即清漆)。变压器浸漆不良时，虽然带载能力一般不受影响，但会产生啸叫、输出波形有尖刺。需要注意的是，变压器的设计不良时，也可能在工作时振动产生啸叫。

（4）初级稳压电源芯片接地线走线不良。接地线走线不良时，常见的表现是概率性故障（部分产品可以正常工作，部分产品故障）。故障现象为无法带负载，甚至无法起振。

（5）光耦工作电流点走线不良。如果光耦的工作电流电阻的位置放置在次级滤波电容之前，则容易出现啸叫。负载越大，啸叫越明显。

（6）次级稳压电源芯片的接地线失误。变压器次级的基准稳压芯片的接地和初级的电源稳压芯片的接地有类似的要求：不能直接和变压器的冷地、热地相连接。如果连在一起，会导致带载能力下降并且产生啸叫。负载越大，啸叫越明显。

5、电感啸叫的案例

案例1、频率可变模式DC-DC转换器导致的啸叫

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。图2所示为PWM方式与PFM方式的基本原理。

PWM调制方式的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。

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——频率可变模式DC-DC转换器导致的啸叫

以图所示的DCDC降压电路图为例，来说明如何解决电感的啸叫问题。

不同型号的DCDC电源芯片的开关频率不同。即使同样的外围电路，振荡频率也可能有差别，输出脉冲也有差异。如图11.1所示是MP4420芯片的典型电路。R149和R150为反馈电阻，调节R149和R150的值，可以调整输出电压VO，VO=0.792*（1+R149/R150）。

L2为输出电感，L2电感量越大，则输出纹波越小，纹波的大小还会影响到输出电压调整的灵敏度。纹波越小，灵敏度越高，输出电压越稳定。L2电感量越小，纹波越大，输出灵敏度越低，输出电压稳定度降低。

C222为输出电容，C222的ESR越小，则允许流经电容的纹波电流越大，保证电容使用寿命的同时，纹波电压也越小。另外，电容的容量越大，纹波电压也越小。

当电感线圈L2的振动频率落入音频范围（20Hz~20kHz）时，就会产生啸叫。MP4220的输出稳压是以PWM方式实现的，当电路负载较小时，输出方波脉宽变窄，即占空比变小。当电路负载小于某个数值时，无法继续调整占空比。为了实现输出稳压，不同的芯片采用的方案不同：有的芯片通过降低开关频率来实现；有的芯片通过周期性的丢弃一些脉冲来实现。不管是降开关低频率还是周期性丢弃脉冲，如果调整后的开关电流的频率落入音频范围，就会产生啸叫。

解决啸叫问题的方法就是避免开关频率落在20Hz~20kHz范围内。方法有多种，具体如下。

①可以在EN管脚外接一个时钟源来控制使能，改变电源开关频率，避免开关电流频率落入音频范围，从而避免电感的啸叫。

②改善电感L2的工艺（如灌胶或增加浸漆工序等），减小振动。

③在纹波允许范围内，适当加大纹波幅度。如果需要，可以多加一级滤波。

实测电路图和波形如图

MP4220在低负载的场景下进入了“节能模式”，开关频率从410kHz降低到了138kHz。如果进一步降低负载，开关频率落入20Hz~20kHz范围，电感就会产生啸叫。

为了解决啸叫，只能选择没有节能模式的芯片或者给电路一个假负载。

案例2、PWM调光系统

PWM调光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。

DC-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。

案例3、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。

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。
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。
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。

6、陶瓷电容的啸叫

陶瓷电容在某些情况下也可能产生啸叫声，这通常与电容器本身的特性以及工作环境有关。以下是一些可能导致陶瓷电容产生啸叫声的原因：

1. 压电效应：陶瓷电容中的一些材料可能具有压电效应，即在电场作用下发生形变，从而产生声波。这种效应可能在电容器受到电场作用时引起物理振动，导致听得到的声音。
2. 共振：陶瓷电容可能在特定频率下发生共振，导致振动并产生声音。这通常与电容器的结构、材料和工作频率有关。
3. 电压和电流的交互作用：在某些情况下，陶瓷电容可能由于电压和电流的交互作用而产生噪声。这可能是由于电容器在电路中的特定工作条件下引起的。
4. 电磁振荡：电容器可能受到附近电路中电感元件的影响，导致电容器自身发生振荡。这种振荡可能产生听得到的噪声。

MLCC发出啸叫声音，那么MLCC一定是发生了振动，并且这个频率是在人耳能够分辨的频率范围之内。MLCC在电压作用下发生一定幅度的振动，达到了人耳能都听到的振幅。

那么MLCC为什么会振动？我们要先了解一种自然现象——电致伸缩。在外电场作用下，所有的物质都会产生伸缩形变——电致伸缩。对于某些高介电常数的铁电材料，电致伸缩效应剧烈，称为压电效应。压电效应包括正压电效应和逆压电效应。

正压电效应：对具有压电特性的介质材料施加机械压力，介质晶体会发生结构重组排布，材料表面会感应出电荷，产生电位差。

逆压电效应：对具有压电特性的介质材料施加电压，则产生机械应力，发生形变。

压电效应的定义：在没有对称中心的晶体上施加压力、张力和切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端面将出现正、负电荷，这一现象称为正压电效应。反之在晶体上施加电场而引起极化，则产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。

那所有MLCC都会啸叫吗？MLCC设计制造陶瓷介质材料主要有顺电介质和铁电介质两大类。

顺电介质，即Ⅰ类介质，主要有SrZrO3、MgTiO3等。顺电介质电致伸缩形变很小，在工作电压下，不足以产生噪声。所以，顺电介质(Ⅰ类介质)材料做的MLCC，如NP0（C0G）等温度稳定性产品，就不会产生噪声啸叫。

铁电介质，即 Ⅱ类介质，主要BaTiO3、BaSrTiO3等。铁电介质具有强烈的电致伸缩特性—压电效应。因此，铁电介质（Ⅱ类介质）做的MLCC，如X7R/X5R特性产品，在较大的交流电场强度作用下会产生明显的噪声啸叫。

哪些场合MLCC啸叫明显?较大的交变电压，频率在20Hz到20kHz之间，使用X7R/X5R类中高容量MLCC，会产生明显的啸叫，如开关电源、高频电源等场合。

啸叫还有很多危害，许多移动电子设备靠近人耳，如笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，如电子电路中有可听噪声会影响使用感受。剧烈的啸叫除了令人生厌外，还可能存在着可靠性设计不足的隐患。剧烈的啸叫源于剧烈的振动，振动幅度由压电效应程度决定。压电效应与电场强度成正比，外加电压不变，介质越薄，压电效应越强，啸叫声音越大。

降低MLCC电容器产生的可听噪声的方法有很多，所有解决方案都会增加成本。那么解决啸叫有哪些对策呢？

（1）改变电容器类型是最直接的方法，用Ⅰ类MLCC、钽电容和薄膜电容等不具有压电效应的电容器替代。但需要考虑体积空间、可靠性和成本等问题。

（2）调整电路，将加在MLCC大的交变电压消除或将其频率移出人耳听感频段(人耳最敏感音频为1KHz~3KHz)。

（3）MLCC由于自身体积较小，其自身振动引起的噪声其实是比较小的 。我们主要要放置MLCC带动PCB一起振动。所以，在PCB设计时，需要考虑MLCC的PCB布局，不要将可能产生啸叫的MLCC放置在PCB应力较弱，PCB容易被振动的位置，从而帮助降低啸叫水平。

（4）加厚MLCC底部保护层。

由于保护层厚度部分是没有内电极的，这部分的BaTiO3陶瓷不会发生形变，当两端的焊锡高度不超过底保护层厚度，这时产生的形变对PCB影响要小，有效地降低噪声。如图

（5）附加金属支架结构。

金属支架结构如图所示，它采用金属支架把MLCC芯片架空。MLCC架空之后与PCB板不直接接触，把逆压电效应产生形变通过金属支架弹性缓冲，振动的能量减少传递给PCB板，减小啸叫。

（6）使用压电效应弱的介质材料设计制造。

通过对钛酸钡（BaTiO3）进一步掺杂得到压电效应大大减弱的介质材料，用其制造的MLCC可有效地降低噪声。但是这样会牺牲一定的介电常数和温度特性，各MLCC厂家都有相应低噪材质的MLCC产品。

7、啸叫有可能是晶振产生的么？

晶振（Crystal Oscillator）通常是一种稳定的时钟源，其设计旨在提供高度准确和稳定的时钟信号。晶振通常不会产生听得到的噪声或啸叫声，因为它们的设计目的是提供频率精度和稳定性。

然而，在一些特殊情况下，可能会发生一些问题，导致晶振产生异常噪声。一些可能导致晶振啸叫声的原因包括：

1. 振荡器回路问题：如果晶振的振荡器回路中存在不稳定性，可能导致振荡频率不稳定或产生啸叫声。
2. 电源噪声：如果晶振的电源电压不稳定或受到干扰，可能引入电源噪声，进而影响晶振的性能。
3. 环境电磁干扰：强电磁场可能对晶振产生干扰，导致性能问题或产生额外的噪声。
4. 晶体老化或损坏：如果晶振的晶体元件发生老化或损坏，可能影响其振荡性能。

要解决可能导致晶振产生噪声的问题，可以考虑以下措施：

• 优化电源：确保提供给晶振的电源电压是稳定的，并且没有过多的纹波或噪声。
• 检查振荡器回路：仔细检查晶振的振荡器回路，确保电路设计正确且稳定。
• 防止电磁干扰：在设计中采取措施，如屏蔽或隔离，以减少电磁干扰对晶振的影响。
• 检查晶体状态：检查晶振的晶体元件是否正常，没有老化或损坏。

总体而言，正常工作的晶振应该是不会产生啸叫声的。如果出现异常噪声，建议仔细检查电路和环境因素，可能需要进一步地调试和优化。