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

（聯想北京有限公司，北京，100193）

0 引言

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

目前業界還沒有給電感個體定義噪音相關的參數，電感廠商在設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品放在已有產品上評測是否噪音過大。電感發出噪音的大小不僅與電感本身特征有關，還有電路電流的行為有關。實際應用中，當實際產品出了噪音問題后，電感廠商才會根據經驗通過點膠，浸凡利水等操作降低電感噪音。本文提出了一個用動態電流模擬實際電路的電流，激發電感振動，用微型加速度傳感器測量電感的振動的方法，用數據采集儀采集振動加速度的時域數據，再經傅里葉變換為頻域數據，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的電感振動參數。使用此方法，可以給設計者提供選擇參考，無需靜音實驗室，在開發初期即可提前評估電路的噪音風險，為改進產品噪音提供幫助。

1 電感振動測量系統示意圖

將電感串聯在測試回路中：穩壓電源正極接電感管腳1，負極接電路板上的地，負載儀正極接電感的管腳2，負極接電路板上的地[1]。將微型加速器貼在電感表面。設置負載儀的電流參數，測量加速度的時域數據，將采樣數據分析計算，繪制出音頻區域的振動譜線，如圖1。

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

負載儀使用：Chroma63030，可以設置動態負載。

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 實測系統照片

圖3 傳感器粘貼在電感上表面

2 電子負載儀拉載電流

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

使用示波器和電流探棒量測負載儀的拉載電流。本實驗所用的負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出現一個峰值，如600Hz，1kHz，1.4kHz等，能量隨頻率增加依次遞減。

3 數據采集和分析

用微型加速度傳感器量測電感上表面振動的加速度，用數據采集儀收集傳感器數據，采樣頻率設為25kHz。

捕捉10s的振動數據，FFT分析點數選擇8192點，去除直流分量，加漢寧窗，進行線性平均計算，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，將激發電感諧振，發出更強噪聲[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 人耳主觀聽噪音結果與加速度譜線數值的關系

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

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，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果的影響，可以將各頻點的加速度數值除以電流數值，得到統一單位電流下的加速度曲線。

定義評估噪音的參數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，可以方便產品開發者選用適用的低噪聲電感。電感廠商需要提前測試出設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，幫助設計者更好的分析噪音問題。