以微型加速度傳感器測量電感振動并評估噪音的方法

孫娜

（聯(lián)想北京有限公司，北京，100193）

0 引言

目前業(yè)界會對電腦進(jìn)行整機噪音測試，但只能量測產(chǎn)品整體的噪音水平。電腦機箱內(nèi)有多個噪音源存在，噪音混合在一起，不好區(qū)分來源。整機噪音測試需要在專業(yè)的靜音實驗室測試，周期長，價格貴，且無法獨立量測電感帶來的噪音大小。

目前業(yè)界還沒有給電感個體定義噪音相關(guān)的參數(shù)，電感廠商在設(shè)計和制造過程中并不會測量電感單體噪音的大小。僅有個別大型的電感廠商會將個別產(chǎn)品放在已有產(chǎn)品上評測是否噪音過大。電感發(fā)出噪音的大小不僅與電感本身特征有關(guān)，還有電路電流的行為有關(guān)。實際應(yīng)用中，當(dāng)實際產(chǎn)品出了噪音問題后，電感廠商才會根據(jù)經(jīng)驗通過點膠，浸凡利水等操作降低電感噪音。本文提出了一個用動態(tài)電流模擬實際電路的電流，激發(fā)電感振動，用微型加速度傳感器測量電感的振動的方法，用數(shù)據(jù)采集儀采集振動加速度的時域數(shù)據(jù)，再經(jīng)傅里葉變換為頻域數(shù)據(jù)，最終得到被測個體的振動頻率譜。在得到電感的振動頻率譜后，除以輸入電流，可以得到和噪音相關(guān)的電感振動參數(shù)。使用此方法，可以給設(shè)計者提供選擇參考，無需靜音實驗室，在開發(fā)初期即可提前評估電路的噪音風(fēng)險，為改進(jìn)產(chǎn)品噪音提供幫助。

1 電感振動測量系統(tǒng)示意圖

將電感串聯(lián)在測試回路中：穩(wěn)壓電源正極接電感管腳1，負(fù)極接電路板上的地，負(fù)載儀正極接電感的管腳2，負(fù)極接電路板上的地[1]。將微型加速器貼在電感表面。設(shè)置負(fù)載儀的電流參數(shù)，測量加速度的時域數(shù)據(jù)，將采樣數(shù)據(jù)分析計算，繪制出音頻區(qū)域的振動譜線，如圖1。

穩(wěn)壓電源可以使用常見的個人電腦電源，提供12V直流供電。也可以使用穩(wěn)壓電源。

負(fù)載儀使用：Chroma63030，可以設(shè)置動態(tài)負(fù)載。

電感可以有兩種安裝方式：（1）將電感焊接在PCB表面，模擬電感組裝在電子產(chǎn)品上后的振動行為，如圖2電感焊接在電路板表面，在被測主板的電感上表面貼裝加速度傳感器。為了避免其他電路的影響，主板其他電路并不上電，僅接通被測電感所在電路。（2）通過柔性導(dǎo)線延長管腳，使電感獨立于PCB放置，測量電感本身的振動，去除PCB的影響，如圖3。

圖2 實測系統(tǒng)照片

圖3 傳感器粘貼在電感上表面

2 電子負(fù)載儀拉載電流

用電子負(fù)載儀拉載方波電流。跳變頻率可以通過設(shè)置電流跳變時間來自由調(diào)整，例如可由20Hz到14KHz。根據(jù)電感和電路的電流參數(shù)選擇拉載電流。本實驗設(shè)置電流從0A跳變到5A。電流變化斜率設(shè)置為該負(fù)載儀支持的最大斜率。

使用示波器和電流探棒量測負(fù)載儀的拉載電流。本實驗所用的負(fù)載儀實測拉載電流斜率只有0.25A/us。將量測的電流波形用示波器自帶的工具做傅里葉分析，繪制出拉載電流的頻率譜。

圖4 200Hz周期的方波電流波形和頻譜

200Hz拉載電流頻譜顯示200Hz基頻的譜線能量最高，隨后每隔400Hz出現(xiàn)一個峰值，如600Hz，1kHz，1.4kHz等，能量隨頻率增加依次遞減。

3 數(shù)據(jù)采集和分析

用微型加速度傳感器量測電感上表面振動的加速度，用數(shù)據(jù)采集儀收集傳感器數(shù)據(jù)，采樣頻率設(shè)為25kHz。

捕捉10s的振動數(shù)據(jù)，F(xiàn)FT分析點數(shù)選擇8192點，去除直流分量，加漢寧窗，進(jìn)行線性平均計算，繪制1Hz到22KHz的音頻范圍的頻譜圖。

圖5上半部分為傳感器捕捉的10s振動加速度時域的波形，下半部分為傅里葉變換后取平均值繪制出來的頻譜圖。

圖5拉載電流：頻率200Hz，拉載電流 0～5A，電流變化斜率0.25A/us。

圖5 200Hz拉載電流下繪制的電感樣品一振動頻譜

200Hz的拉載電流得到的加速度譜線較稀疏。但可以觀察到在3KHz和20KHz有兩個峰值點。

圖6拉載電流：頻率20Hz，拉載電流 0～5A，電流變化斜率0.25A/us。

圖6 20Hz拉載電流下繪制的電感樣品一振動頻譜

電流拉載動態(tài)頻率越低，頻譜分析的譜線間隔越小。20Hz的譜線要比200Hz的譜線更細(xì)膩，但由于同電流幅值下，20Hz的波形比200Hz的波形高頻分量能量降低，導(dǎo)致譜線高度整體減小。如果希望頻譜測量精度提高，則選擇低拉載頻率，如果希望提高振動能量，則適當(dāng)提高頻率。

該顆電感在音頻范圍存在兩個明顯的諧振峰，第一個在3.3KHz，第二個在20KHz。在低頻率高斜率的跳變電流刺激下，該顆電感會發(fā)出3.3KHz左右的噪聲。如果存在3.3K附近頻率的跳變電流，將激發(fā)電感諧振，發(fā)出更強噪聲[2]。

該顆電感的整改方向，可以想辦法降低諧振峰的峰值，或者調(diào)整諧振峰的頻率。

圖7 200Hz拉載電流下繪制的電感樣品二振動頻譜

用同樣的方法測試第二顆電感樣品，采用200Hz，0～5A，0.25A/us的拉載電流，得到的加速度音頻譜。

電感樣品二的振動最高峰在16kHz，10KHz～20KHz的高頻段噪音高，1kHz以下的低頻段基本無噪音。整體噪音高于樣品一。

4 人耳主觀聽噪音結(jié)果與加速度譜線數(shù)值的關(guān)系

同一顆電感，音頻范圍的最大振動加速度越大，噪音越大。目前個人電腦中常用的電感體積較小，表面積大多在1平方厘米左右。人耳在距離該電感10厘米的位置感受該電感噪音：當(dāng)測量到的3.3kHz譜線高于1mg時，可以聽到滋滋的電流噪聲。譜線越高，噪音越大。減小拉載電流值，當(dāng)3.3kHz譜線高度降到0.5mg以下時，噪聲較難聽到。

5 衡量電感噪音的參數(shù)

直接測量得到的振動加速度頻率曲線與拉載電流的頻率曲線相關(guān)，同一頻點處，電流越大，加速度越大。因為使用的是跳變的近似方波電流，該電流頻譜顯示電流隨著頻率增高而能量遞減。如果想要排除電流大小對結(jié)果的影響，可以將各頻點的加速度數(shù)值除以電流數(shù)值，得到統(tǒng)一單位電流下的加速度曲線。

定義評估噪音的參數(shù)GA：各頻點的振動加速度除以輸入電流值，單位g/A。

新定義的GA參數(shù)，可以方便產(chǎn)品開發(fā)者選用適用的低噪聲電感。電感廠商需要提前測試出設(shè)定電流下的電感的振動加速度，繪制出GA曲線。

本文的方法可以不限于電感，也可用于測量其他元件，例如電容和電路板的振動，幫助設(shè)計者更好的分析噪音問題。