Eine kurze Analyse von Spulenrauschen und Lösungen

1.Das Prinzip der Rauschgenerierung

Rauschen wird durch die Vibration von Objekten erzeugt. Nehmen wir als Beispiel einen Lautsprecher, um das Prinzip der Vibration zu verstehen.
Ein Lautsprecher wandelt elektrische Energie nicht direkt in Schallenergie um. Stattdessen verwendet er einen Leitstrom (Tonwicklung oder Wicklung), um zwischen Magneten zu interagieren, wodurch die Tonwicklung schwingt und die Membran antreibt: Elektrische Energie - mechanische Energie - Schallenergie.
Ein Lautsprecher: Wenn sich die Stromrichtung an beiden Enden der Wicklung ändert, interagiert sie direkt mit dem Magnetfeld eines Permanentmagneten, wodurch die Tonwicklung schwingt und die Membran antreibt. Elektrische Energie - mechanische Energie - Schallenergie.
Ein Lautsprecher erzeugt Ton, indem er die mechanische Energie umwandelt, die entsteht, wenn sich der Strom in der Wicklung ändert. Kann ein Spule als Lautsprecher verwendet werden?
Wenn eine schwingende Membran zur Spule des Induktors hinzugefügt wird und eine kleine Klangkammer erstellt wird, wird der Induktor zu einem Lautsprecher. Tatsächlich kann auch ohne Hinzufügen einer schwingenden Membran und einer Klangkammer zur Spule des Induktors, wenn eine ausreichend große Antriebsstromstärke an die Terminals des Induktors angewendet wird, dieser ebenfalls Geräusche erzeugen. Die Effizienz der Umwandlung von mechanischer Energie in Schallenergie ist jedoch sehr gering, das Geräusch ist sehr leise und die Lautstärke niedrig, sodass es schwer zu hören ist!

2.Werden auch Induktoren Geräusche erzeugen?

Wenn Sie ein Pfeifen (quietschendes) Geräusch hören, ist es sicher, dass ein Schaltstrom von etwa 20Hz - 20kHz (dem Hörbereich des Menschen) über den Spulenwiderstand fließt. Zum Beispiel im Fall eines Spulenpfeifens in einem DC-DC-Wandler, aufgrund eines übermäßigen Laststroms, gibt es einen Strombegrenzungsschutzkreis innerhalb des DC-Wandlers. Wenn die Last den Stromkapazitätsgrenzwert des internen Schalters (MOS) des ICs überschreitet, wird der Strombegrenzungs-Detektionskreis feststellen, dass der Laststrom zu hoch ist. Er wird dann sofort die Tastverhältnisse der internen Schalter im DAC anpassen oder die Schaltoperation vollständig stoppen. Die Schaltung wird erst wieder normal arbeiten, wenn der Laststrom als im Standardbereich erkannt wird. Der Zeitzyklus vom Stoppen des Schalters bis zum Neustart liegt genau im Frequenzbereich von ein paar kHz, und es ist diese periodische Schaltfrequenz, die das Pfeifgeräusch verursacht.

Die Lautstärke des Pfeifgeräusches hängt etwas von der Qualität der Wicklung des Induktors ab. Lockerere Wicklungen erzeugen lautere Pfeifgeräusche.

3.Bedingungen für einen Klangemittler, um Geräusche zu verursachen

① Eine Änderung der Größe des durch den Induktor fließenden Stroms → Dies bewirkt eine Änderung des magnetischen Flusses.
② Die Anwesenheit eines Leiters um den Spulenkern, ausreichend, um den Lenz'schen Effekt zu induzieren → Der Leiter erkennt das magnetische Flussfeld des Spulenkerns und erzeugt ein abstoßendes Magnetfeld → Das Aluminiumgehäuse/Kondensator einer Lampe bietet solche Bedingungen. Wie wir wissen, stoßen gleiche Pole von Magneten sich gegenseitig ab, während entgegengesetzte Pole sich anziehen. Wenn ein Spulenkern/Transformator funktioniert, erzeugt er intern ein starkes wechselndes Magnetfeld. Der magnetische Kern und die Spulen innerhalb dieses Feldes unterliegen magnetischen Kräften. Wenn diese Kräfte periodische Schwingungen, Reibung oder Materialverformungen verursachen, wird Geräusch produziert. Das durch eine Hochfrequenz-Anregungsquelle und eine komplexe mechanische Struktur gebildete Schwingungssystem kann hörbares Geräusch erzeugen.

4. Spulenschwingungen verursachen Spulenrauschen

Wenn die Lücken zwischen den Windungen der Spule groß sind und die Anordnung nicht eng genug ist, und wenn das Klebemittel nicht in ausreichendem Maße in die Lücken eindringt und sie sichert, neigen diese Spulen dazu, Geräusche zu erzeugen. Die Richtung des Wechselstroms ändert sich kontinuierlich mit der Frequenz. Dadurch treten gegenseitige Anziehung und Abstoßung zwischen den Spulenwindungen auf. Mit steigender Frequenz entwickelt sich diese Anziehung - Abstoßung zu einer Vibration. Wenn die Schwingungsfrequenz zwischen 20 Hz und 20 kHz liegt (dem für menschliche Ohren hörbaren Audiobereich), wird Geräusch erzeugt.

Lösungen:
① Lenz'sches Gesetz zwischen Spule und Magnetkern → Verstärken Sie die Fixierung der Spule, um ihre Bewegung einzuschränken. Impregnier die Spule oder vergrößere den Drahtdurchmesser.
② Lenz'sches Gesetz zwischen Magnetkernen → Verwenden Sie Klebstoff, um die Kerne zu sichern und ihren beweglichen Raum einzuschränken.

5. Magnetostriction (magnetische Verformung) verursacht Spulengeräusche

Die in Spulen verwendeten magnetischen Kernmaterialien sind im Allgemeinen weiche magnetische Materialien. Die magnetischen Pulverrohstoffe der magnetischen Materialien zeigen ein Phänomen der magnetischen Gitterverformung (Magnetostriction), das heißt, wenn das Magnetpulver im Kern magnetisiert wird, ändert sich das Volumen des Materials leicht. Mit zunehmender Spannung und steigender Frequenz wird diese Veränderung intensiver und entwickelt sich schließlich zu einer Schwingung. Wenn es Lücken zwischen den verbundenen Teilen der Magnetkerne gibt, ist eine Resonanz wahrscheinlich, was Geräusche verursacht.

Lösungen:
① Beim Zusammenbau sollte man die Lücke zwischen den Verbindungsflächen der Magnetkerne so klein wie möglich halten. Die Klemmkraft sollte angemessen gleichmäßig sein, um einen engen Kontakt zwischen den Kernen sicherzustellen. Darüber hinaus ist der Lückenraum am Luftspalt der Mittelsäule des Kerns am meisten anfällig für Resonanzen. Der beste Ansatz besteht darin, ihn vollständig mit Kleber auszufüllen.
②Ersetzen Sie das Magnetkernmaterial durch ein Material mit hoher magnetischer Flussdichte und niedriger Magnetostriction: kleinere Verzerrung und Vibration kann den Lärm effektiv reduzieren.
③Ersetzen Sie das Kernmaterial durch feineres magnetisches Pulver. Wir können Eisenpulver mit kleineren Partikelgrößen verwenden, um die Abstandsdistanz zwischen den Partikeln zu verringern und die Anzahl der Zwischenräume zu erhöhen. Diese Maßnahme bewirkt, dass die durch Reibung zwischen magnetischen Wänden entstehende Schwingungsfrequenz den normalen Hörbereich von 20 kHz überschreitet.
Hinweis: Wenn die Schwingungsfrequenz über 20kHz liegt, wird sie für das menschliche Ohr unhörbar.

6.Durch Schaltkreisresonanz verursachter Lärm

Parasitäres Kapazitätsexistiert im Schaltkreis. Wenn die Netzfrequenz erreicht oder sehr nahe an der natürlichen LC-Frequenz des Schaltkreises liegt, tritt Resonanz auf. Falls die Resonanzfrequenz zufällig im Audiospektrum liegt, wird Lärm erzeugt.

Lösungen:
① Passe die Ausgangsfrequenz des Strommanagements-IC an, um den Resonanzfrequenzpunkt zu vermeiden.
② Passe den Induktivwert an, um den Resonanzfrequenzpunkt zu vermeiden. (Zum Beispiel, indem man die oberen und unteren Grenzen der Induktivwerte berücksichtigt, was darauf abzielt, die Resonanzfrequenz zu ändern).

7. von Korona-Effekten verursachter Rauschen

Partielle Entladungen treten aufgrund einer schlechten Isolation in Materialien auf, typischerweise manifestiert sich dies als Mängel in der Isolierung der emailierten Drähte wie Schäden, Kratzer oder Nadelöffnungen zwischen den Windungen. Unter bestimmten Hochspannungsbedingungen führt dies zu elektrischen Entladungen in die umgebende Umgebung, was Resonanzen in benachbarten Kavitäten erregt.

Lösungen:
Koilendurchtränkung: Verbesserung der Isolierungseigenschaften der Spule durch Durchtränkung.
Ersetzen Sie durch Hochwertigere Emailledraht: Verwenden Sie Emailledraht mit besseren Isolierungseigenschaften.

8. Überlastbetrieb des Spulenelements

Wenn der tatsächliche Betriebsstrom zu groß ist und das Drittel des Nominalstroms erreicht oder überschreitet, kann dies dazu führen, dass die Spule Geräusche emittiert.

Lösungen:
① Reduzieren Sie die effektive magnetische Permeabilität des Kerns und erhöhen Sie die Anzahl der Wicklungsdurchläufe.
② Erhöhen Sie das effektive Querschnittsflächenvolumen des Fensters des Kerns.

9. Geräusche durch ungleichmäßiges Schleifen des Magnetkerns

Während des Produktionsprozesses werden die Magnetkerne von Hochstromspulen normalerweise für Luftspalten geschliffen. Wenn das Schleifen der Luftspalte nicht glatt ist (insbesondere die Luftspalte der Mittelsäule), wird die Richtung der benachbarten magnetischen Flüsse verzerrt, was zu einer magnetischen Flussstauung führt und wahrscheinlich Geräusche verursacht.

Lösung:
Schleife die Luftspalte des Magnetkerns glatt.

10. Schäden an Material des Magnetkerns

Wenn der fertige Magnetkern rissig ist oder die Mittelsäule gebrochen ist, entsteht bei der Magnetisierung des magnetischen Pulvers im Kern aufgrund des Magnetostrictionsphänomens (magnetische Verformung: zuvor erklärt) Geräusch.

Lösungen:
Wählen Sie magnetische Kernmaterialien mit hoher Festigkeit für die Produktion aus.
Verwenden Sie Klebstoff mit einem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und Flexibilität für das Füllen.

11. Leiterplatten-Trace-Design und angrenzende Magnetfeldstrahlung

Unerwartetes Leiterplatten-Trace-Design, wie z.B. geschlossene Schleifen, kann starke EMI-Strahlung verursachen, die mit Spulen interferiert. Unangemessenes Trace-Design kann auch zu Schwingungen im Kreis führen, was beide Geräusche erzeugen. Außerdem kann Magnetfeldstrahlung von benachbarten Komponenten dazu führen, dass Spulen Geräusche emittieren.

Lösungen:
① Koordinieren Sie mit Kunden, um das Schaltungsentwurf anzupassen.
② Verschieben Sie den Spule, um Störeinflüssen und Strahlungsquellen auszuweichen.
Schlussfolgerung: Obiges analysiert kurz die gängigen Probleme mit Spulenrauschen. Wie wir wissen, wird Ton durch Schwingungen erzeugt – und Spulenrauschen folgt demselben Prinzip. Um derartige Probleme zu lösen, müssen wir die Ursache der Schwingungen identifizieren und dann wissenschaftlich und vernünftige Gegenmaßnahmen ergreifen.