การวิเคราะห์อย่างย่อเกี่ยวกับเสียงรบกวนของอินดักเตอร์และวิธีแก้ไข

1. หลักการของการเกิดเสียงรบกวน

เสียงรบกวนเกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ ลองพิจารณาลำโพงเป็นตัวอย่างเพื่อเข้าใจหลักการของการสั่นสะเทือน
ลำโพงไม่ได้แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเสียงโดยตรง แต่มันใช้กระแสพาห运 (คอยล์เสียงหรือคอยล์) เพื่อให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็ก ทำให้คอยล์เสียงสั่นและขับแผ่นไดอะแฟรมให้สั่น: พลังงานไฟฟ้า - พลังงานกล - พลังงานเสียง
ลำโพง: เมื่อทิศทางของกระแสที่ปลายสองข้างของคอยล์เปลี่ยนแปลง มันจะมีปฏิสัมพันธ์โดยตรงกับสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวร ทำให้คอยล์เสียงสั่นและขับแผ่นไดอะแฟรมให้สั่น พลังงานไฟฟ้า - พลังงานกล - พลังงานเสียง
ลำโพงสร้างเสียงโดยการแปลงพลังงานกลที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสในคอยล์เปลี่ยนแปลง ตัวเหนี่ยวนำสามารถทำเป็นลำโพงได้ไหม?
หากเพิ่มเยื่อสั่นสะเทือนลงในขดลวดของอินดักเตอร์และสร้างช่องเสียงขนาดเล็ก อินดักเตอร์จะกลายเป็นลำโพง ในความเป็นจริง แม้จะไม่ได้เพิ่มเยื่อสั่นสะเทือนและช่องเสียงให้กับขดลวดอินดักเตอร์ หากนำกระแสไฟฟ้าแรงขับที่มากพอไปประยุกต์ใช้กับขั้วของอินดักเตอร์ ก็สามารถสร้างเสียงได้เช่นกัน อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานเสียงนั้นต่ำมาก เสียงเบา และระดับเสียงต่ำ ทำให้ยากต่อการได้ยิน!

2.อินดักเตอร์จะสร้างเสียงรบกวนหรือไม่?

หากคุณสามารถได้ยินเสียงหวีด (เสียงแหลม) นั่นหมายความว่ามีกระแสสลับประมาณ 20Hz - 20kHz (ช่วงของหูคน) เกิดขึ้นที่อินดักเตอร์ ตัวอย่างเช่น ในกรณีที่อินดักเตอร์เกิดเสียงหวีดในคอนเวอร์เตอร์ DC-DC เมื่อมีกระแสโหลดมากเกินไป จะมีวงจรป้องกันการจำกัดกระแสอยู่ภายในคอนเวอร์เตอร์ DC เมื่อโหลดเกินความสามารถของกระแสภายในสวิตชิ่ง (MOS) ของ IC วงจรตรวจจับการจำกัดกระแสจะตรวจสอบว่ากระแสโหลดสูงเกินไป จากนั้นจะปรับเปลี่ยนรอบการเปิด/ปิดของสวิตช์ภายใน DAC หรือหยุดการทำงานของสวิตช์ทันที การสลับจะกลับมาทำงานตามปกติเมื่อตรวจพบว่ากระแสโหลดอยู่ในช่วงมาตรฐานแล้ว ระยะเวลาจากช่วงหยุดการทำงานของสวิตช์จนถึงการเริ่มต้นใหม่จะอยู่ในช่วงความถี่ไม่กี่ kHz และเป็นความถี่ของการสลับแบบเป็นคาบซึ่งทำให้เกิดเสียงหวีดนี้

ขนาดของเสียงนกหวีดมีความเกี่ยวข้องกับคุณภาพของการพันขดลวดของอินดักเตอร์อยู่บ้าง การพันที่หลวมกว่าจะสร้างเสียงนกหวีดที่ดังกว่า

3.เงื่อนไขที่ทำให้อินดักเตอร์เกิดเสียง

① การเปลี่ยนแปลงของปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านอินดักเตอร์ → ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็ก
② การมีตัวนำรอบขดลวด ซึ่งเพียงพอที่จะก่อให้เกิดผล Lenz → ตัวนำตรวจจับฟลักซ์แม่เหล็กของขดลวดและสร้างสนามแม่เหล็กที่ขับ斥 → เคสอลูมิเนียม/คอนเดนเซอร์ของหลอดไฟให้เงื่อนไขเช่นนี้ เมื่อเราทราบว่าขั้วเหมือนกันของแม่เหล็กจะขับ斥กัน ในขณะที่ขั้วตรงข้ามจะดึงดูดกัน เมื่อขดลวด/ทรานส์ฟอร์เมอร์ทำงาน มันจะสร้างสนามแม่เหล็กสลับแรงสูงภายใน แกนแม่เหล็กและขดลวดในสนามนี้จะถูกกระทำด้วยแรงแม่เหล็ก หากแรงเหล่านี้ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนตามช่วงเวลา แรงเสียดทาน หรือการเปลี่ยนรูปของวัสดุ เสียงก็จะเกิดขึ้น ระบบการสั่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดการเร้าความถี่สูงและโครงสร้างกลไกที่ซับซ้อนอาจสร้างเสียงที่ได้ยินได้

4. การสั่นของขดลวดทำให้เกิดเสียงจากขดลวด

หากช่องว่างระหว่างรอบของขดลวดอินดักเตอร์มีขนาดใหญ่และไม่ถูกจัดเรียงให้แน่นพอ และถ้ากาวไม่สามารถซึมผ่านและยึดช่องว่างของขดลวดได้อย่างสมบูรณ์ อาจเกิดเสียงรบกวนได้ง่าย เมื่อทิศทางของกระแสไฟฟ้าสลับเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องตามความถี่ จะเกิดแรงดึงดูดและผลักไสระหว่างรอบของขดลวด เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น การดึงดูด - ผลักไสจะกลายเป็นการสั่นสะเทือน หากความถี่ของการสั่นสะเทือนอยู่ในช่วง 20Hz ถึง 20kHz (ช่วงเสียงที่หูคนสามารถได้ยิน) จะเกิดเสียงรบกวน

วิธีแก้ปัญหา:
① กฎของเลนซ์ระหว่างขดลวดและแกนแม่เหล็ก → เสริมการยึดขดลวดเพื่อจำกัดการเคลื่อนที่ ฉีดกาวเข้าไปในขดลวดหรือเพิ่มเส้นผ่าศูนย์กลางของลวด
② กฎของเลนซ์ระหว่างแกนแม่เหล็ก → ใช้กาวยึดแกนเพื่อจำกัดพื้นที่ที่สามารถเคลื่อนไหวได้

5. การขยายตัวจากสนามแม่เหล็ก (magnetostriction) เป็นสาเหตุของเสียงรบกวนจากอินดักเตอร์

วัสดุแกนแม่เหล็กที่ใช้ในตัวเหนี่ยวนำมักเป็นวัสดุแม่เหล็กอ่อน วัสดุผงแม่เหล็กของวัสดุแม่เหล็กแสดงปรากฏการณ์ของการบิดตัวของโครงสร้างแม่เหล็ก (magnetostriction) ซึ่งหมายความว่า เมื่อผงแม่เหล็กภายในแกนถูกทำให้มีคุณสมบัติแม่เหล็ก ปริมาตรของวัสดุจะเกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นและความถี่สูงขึ้น การเปลี่ยนแปลงนี้จะกลายเป็นรุนแรงมากขึ้น สุดท้ายก็พัฒนาเป็นการสั่นสะเทือน หากมีช่องว่างระหว่างส่วนประกอบของแกนแม่เหล็ก อาจเกิดการสั่นสะเทือนได้ ซึ่งจะทำให้เกิดเสียงรบกวน

วิธีแก้ปัญหา:
① เมื่อทำการประกอบ ควรลดช่องว่างระหว่างพื้นผิวที่เชื่อมต่อของแกนแม่เหล็กให้น้อยที่สุด แรงกดควรมีความสม่ำเสมออย่างเหมาะสมเพื่อให้แกนสัมผัสกันอย่างใกล้ชิด นอกจากนี้ ช่องว่างที่ตำแหน่งช่องอากาศของเสากลางแกน มักจะเกิดการสั่นสะเทือนได้ง่ายที่สุด วิธีที่ดีที่สุดคือเติมกาวให้เต็มช่องว่างนั้น
②แทนที่ด้วยวัสดุแกนแม่เหล็กที่มีความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กสูงและมีการยืดหดตัวจากสนามแม่เหล็กต่ำ: การบิดเบือนและการสั่นสะเทือนที่เล็กลงสามารถลดเสียงรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
③แทนที่ด้วยวัสดุแกนที่ทำจากผงแม่เหล็กขนาดละเอียดขึ้น เราสามารถใช้ผงเหล็กที่มีขนาดอนุภาคเล็กกว่าเพื่อลดระยะห่างระหว่างอนุภาคและเพิ่มจำนวนช่องว่าง การกระทำนี้ทำให้ความถี่ของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการเสียดทานระหว่างผนังแม่เหล็กเกินช่วงความถี่การได้ยินทั่วไปที่ 20kHz
หมายเหตุ: เมื่อความถี่ของการสั่นสะเทือนเกิน 20kHz มันจะไม่สามารถได้ยินด้วยหูคน

6. เสียงรบกวนที่เกิดจากเรโซแนนซ์ของวงจร

ความจุแบบพาราซิทิกมีอยู่ในวงจร เมื่อความถี่ของแหล่งจ่ายไฟฟ้าถึงหรือใกล้เคียงกับความถี่ LC ธรรมชาติของวงจร เรโซแนนซ์จะเกิดขึ้น หากความถี่เรโซแนนซ์เกิดขึ้นในช่วงเสียงที่สามารถได้ยิน เสียงรบกวนจะเกิดขึ้น

วิธีแก้ปัญหา:
① ปรับความถี่เอาต์พุตของ IC การจัดการพลังงานเพื่อหลีกเลี่ยงจุดความถี่เสียงเรโซแนนซ์
② ปรับค่าอินดักเตอร์เพื่อหลีกเลี่ยงจุดความถี่เสียงเรโซแนนซ์ (เช่น การใช้ขีดจำกัดบนและล่างของค่าอินดักแทนซ์ เพื่อเปลี่ยนแปลงความถี่เรโซแนนซ์)

7. เสียงรบกวนที่เกิดจากผลของโคโรนา

เกิดการปล่อยประจุบางส่วนเนื่องจากฉนวนในวัสดุมีคุณภาพไม่ดี โดยปกติจะแสดงออกเป็นข้อบกพร่องในฉนวนของสายเคลือบ เช่น ความเสียหาย รอยขูดขีด หรือรูเข็มระหว่างรอบของสาย เมื่ออยู่ภายใต้เงื่อนไขแรงดันไฟฟ้าสูง จะนำไปสู่การปล่อยประจุไฟฟ้าสู่สภาพแวดล้อมโดยรอบ และกระตุ้นให้เกิดเรโซแนนซ์ในช่องใกล้เคียง

วิธีแก้ปัญหา:
การบำบัดด้วยการซึมผ่านขดลวด: เพิ่มประสิทธิภาพฉนวนของขดลวดผ่านกระบวนการซึมผ่าน
แทนที่ด้วยลวดเคลือบอีนาเมลคุณภาพสูงกว่า: ใช้ลวดเคลือบอีนาเมลที่มีคุณสมบัติฉนวนที่ดีกว่า

8. การทำงานเกินภาระของอินดักเตอร์

หากกระแสไฟฟ้าที่ใช้งานจริงมีขนาดใหญ่เกินไป ถึงหรือเกินกว่า 1/3 ของกระแสไฟฟ้าเรตติ้ง อาจทำให้อินดักเตอร์เกิดเสียงรบกวนได้

วิธีแก้ปัญหา:
① ลดค่าความนำแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพของแกนและเพิ่มจำนวนรอบของขดลวด
② เพิ่มพื้นที่หน้าตัดที่มีประสิทธิภาพของช่องว่างแกน

9. เสียงรบกวนที่เกิดจากกระบวนการขัดแม่เหล็กไม่สม่ำเสมอ

ในกระบวนการผลิต แกนแม่เหล็กของอินดักเตอร์กระแสไฟฟ้าสูงมักจะต้องการการขัดเพื่อสร้างช่องอากาศ หากการขัดช่องอากาศไม่เรียบ (โดยเฉพาะช่องอากาศของเสากลาง) ทิศทางของฟลักซ์แม่เหล็กใกล้เคียงจะถูกบิดเบือน ส่งผลให้เกิดการแออัดของฟลักซ์แม่เหล็ก และอาจทำให้เกิดเสียงรบกวนได้

โซลูชัน:
ขัดช่องอากาศของแกนแม่เหล็กให้เรียบ

10. ความเสียหายของวัสดุแกนแม่เหล็ก

หากแกนแม่เหล็กสำเร็จรูปแตกหรือเสากลางหัก เมื่อผงแม่เหล็กภายในแกนถูกแม่เหล็กไฟฟ้า เสียงจะเกิดขึ้นเนื่องจากปรากฏการณ์แม่เหล็กยืดหด (การบิดเบือนแม่เหล็ก: อธิบายไว้ก่อนหน้านี้)

วิธีแก้ปัญหา:
เลือกวัสดุแกนแม่เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงสำหรับการผลิต
ใช้กาวที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำและยืดหยุ่นสำหรับการเติม

11. การออกแบบเส้นทาง PCB และการแผ่รังสีของสนามแม่เหล็กใกล้เคียง

การออกแบบเส้นทาง PCB ที่ไม่เหมาะสม เช่น เส้นทางที่สร้างเป็นลูปปิดสามารถทำให้เกิดการแผ่รังสี EMI ที่รุนแรงซึ่งรบกวนอินดักเตอร์ได้ นอกจากนี้ การออกแบบเส้นทางที่ไม่เหมาะสมอาจนำไปสู่การ cộng hưởngของวงจร ทั้งสองกรณีนี้จะสร้างเสียงรบกวน นอกจากนี้ การแผ่รังสีของสนามแม่เหล็กจากชิ้นส่วนใกล้เคียงยังสามารถทำให้อินดักเตอร์เกิดเสียงรบกวนได้

วิธีแก้ปัญหา:
① สื่อสารกับลูกค้าเพื่อปรับการออกแบบวงจร
② เคลื่อนย้ายอินดักเตอร์เพื่อหลีกเลี่ยงแหล่งรบกวนและแหล่งกำเนิดรังสี
สรุป: ข้างต้นเป็นการวิเคราะห์ปัญหาเสียงรบกวนของอินดักเตอร์ทั่วไปอย่างสั้นๆ ซึ่งเรารู้กันว่า เสียงเกิดจากการสั่นสะเทือน และเสียงรบกวนของอินดักเตอร์ก็เป็นไปตามหลักการเดียวกัน เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ เราต้องระบุแหล่งที่มาของการสั่นสะเทือน จากนั้นจึงใช้วิธีการแก้ไขที่มีเหตุผลและเหมาะสม