Шум и свист дросселей видеокарты или блока питания — опасно?
Сразу отвечу — нет. Шумы и свист дросселей высокочастотных преобразователей, коих полно на любой видеокарте, материнке или блоке питания не представляют никакой опасности. Свист дросселей может раздражать людей с очень тонким слухом или лиц с лябильной психикой (но это отдельный разговор выходящий за рамки данной статьи*).
Немного о блоках питания
В начале и середине 20-го века блоки питания электроники представляли из себя трансформаторные понижающие выпрямители работавшие на частоте сети 50/60Гц. Всё, что можно было услышать от такого блока это низкий звук «ууу» (вихревые токи проходя через металлический сердечник трансформатора заставляли его пластины колебаться и излучать звук).
Огромными недостатком таких блоков были их размер и вес. В 80-х им на смену начали приходить более компактные и производительные импульсные источники питания. Напряжение сети в импульсном БП выпрямляется и подается на высокочастотный преобразователь. Далее переменное напряжение высокой частоты выпрямляется и фильтруется. Высокая частота преобразования позволила значительно сократить размеры развязывающего трансформатора и уменьшить ёмкость (и габариты) конденсаторов вторичного фильтра. Регулировка — стабилизация выходных напряжений импульсного БП достигается за счёт изменения скважности (ШИМ) или частоты (ЧИМ) работы основного преобразователя.
Первые импульсные блоки питания работали в пределах звуковых частот, до 20КГц, ближе к верхнему порогу слышимости.
Человеку обладающему острым слухом нахождение возле такого устройства может быть некомфортным (иногда говорят, что такой блок питания или зарядка телефона излает противный «тонкий комариный» писк).
Со временем конструкторы перевели импульсные источники питания на частоты находящиеся далеко за пределами восприятия человеческого уха. Импульсные преобразователи материнских плат, блоков питания и видеокарт давно перешагнули порог в сотни килогерц. Но почему же тогда пользователи жалуются на писк и шум дросселей и трансформаторов? Ведь абсолютно никто не может услышать колебания свыше 20кГц (да что там, многие и 16кГц уже не в состоянии различить), не говоря уже о сотнях или даже миллионах колебаний в секунду.
Ниже представлен перевод статьи компании TDK на тему акустического шума в силовых индукторах импульсных преобразователей. TDK постарались ответить очень развернуто на эту тему.
Для тех кому лень читать, от себя могу коротко сказать, что несмотря на высокую частоту преобразования DC-DC, при малых нагрузках микросхема ШИМ-контролера понижает основную частоту преобразования, нередко залезая в диапазон слышимых ухом частот. Тут-то и подключается неудачная конструкция некоторых дросселей передавая эти колебания со своего сердечника на подложку — плату, используя её как излучатель звука.
Глубже в недра теории. Почему свистят дроссели?
Такие продукты, как ноутбуки и планшетные ПК, смартфоны, телевизоры и автомобильные электронные устройства, иногда издают высокие звуки во время работы. Это явление известно как «акустический шум» и иногда вызывается пассивными компонентами, такими как конденсаторы и индукторы (дроссели, катушки). Механика акустического шума отличается для конденсаторов и индукторов, но акустический шум в индукторах особенно сложен, поскольку он включает в себя сочетание факторов. В этой статье представлены некоторые причины и эффективные меры по борьбе с акустическим шумом в силовых индукторах, которые являются основными компонентами в силовых цепях таких устройств, как преобразователи постоянного тока.
Причины акустического шума в силовых индукторах
Такие факторы, как прерывистая работа, режимы переменной частоты и изменения нагрузки, вызывают вибрации в диапазоне слышимых человеком частот.
Звуковые волны — это упругие волны, которые проходят через воздух, и человек слышит область частот около 20-20 кГц. Основные корпуса силовых индукторов DC-DC-преобразователей вибрируют при протекании переменных токов и импульсных волн частот в слышимом диапазоне, и это приводит к акустическому шуму, который иногда называют «свистом катушки».
Силовые дроссели DC-DC преобразователей являются одной из причин звуков и шумов наряду с повышением производительности электронных устройств. DC-DC-преобразователи достигают стабильных постоянных токов фиксированных напряжений путем создания импульсных токов из состояний ВКЛ/ВЫКЛ с помощью коммутационных элементов и управления длительностью (шириной импульса) времени включения. Это известно как «ШИМ (широтно-импульсная модуляция)» и широко используется как основной метод для DC-DC-преобразователей.
Однако частоты переключения DC-DC-преобразователей высоки и составляют от нескольких сотен кГц до нескольких МГц, а вибрации этих частот не слышны, поскольку звуки и шумы превышают диапазон слышимости человека. Это оставляет вопрос о том, почему силовые индукторы DC-DC-преобразователей генерируют акустические шумы.
Существует несколько возможных причин, но одной из основных причин может быть работа DC-DC-преобразователей с перерывами для экономии заряда батареи или переключение DC-DC-преобразователя с метода ШИМ на метод ЧИМ (частотно-импульсная модуляция) и работа в режиме переменной частоты. На рисунке 2 показаны основные принципы метода ШИМ и метода ЧИМ.
Акустический шум от прерывистой работы преобразователей постоянного тока, например, во время ШИМ-регулировки яркости
Прерывистые операции DC-DC-преобразователей используются в таких областях, как функции автоматического затемнения подсветки жидкокристаллических дисплеев в мобильных устройствах, например, для экономии энергии. Это система, в которой срок службы батареи продлевается за счет автоматического затемнения яркости подсветки в соответствии с освещенностью среды использования.
Существует несколько методов затемнения, но тот, который управляет длительностью периода, в течение которого светодиодная подсветка включается и выключается, известен как «ШИМ-диммирование». Система затемнения с методом ШИМ используется для подсветки таких устройств, как ноутбуки и планшетные ПК, из-за их преимуществ, включая минимальные изменения цветности из-за затемнения.
ШИМ-диммирование — это метод регулировки яркости путем прерывистой работы DC-DC-преобразователя на относительно низкой частоте около 200 Гц и повторения цикла включения-выключения. Яркость увеличивается, если время освещения увеличивается, и уменьшается, если оно сокращается. Во время прерывистой работы на частоте около 200 Гц глаза могут ощущать очень слабое мерцание подсветки. Однако это слышимая частота, поэтому основная часть силового индуктора, установленного на подложке, может вибрировать и генерировать акустический шум из-за эффектов протекающего тока от прерывистой работы.
Примечание: Коэффициент полезного действия
В преобразователях постоянного тока отношение периода переключения (время включения + время выключения переключающих элементов) ко времени включения называется «скважностью». В случае ШИМ-регулировки яркости светодиодных ламп скважностью является время включения лампы / (время включения + время выключения лампы), и она указывает на степень яркости.
Акустический шум от DC-DC преобразователей в режиме переменной частоты
DC-DC преобразователи, работающие по методу ШИМ, характеризуются высоким КПД 80 — 90% и более при нормальной работе. Однако КПД значительно падает при низких уровнях нагрузки, например, в режиме ожидания. Потери при переключении пропорциональны частоте. Таким образом, КПД падает, поскольку постоянные потери при переключении производятся даже при низких уровнях нагрузки.
Для решения этой проблемы используется преобразователь постоянного тока в постоянный, который автоматически переключается с метода ШИМ на метод ЧИМ при низких уровнях нагрузки. Метод ЧИМ представляет собой метод управления частотами переключения в соответствии с уменьшением нагрузки при постоянном времени включения. Частота переключения постепенно уменьшается при увеличении времени выключения, поскольку время включения постоянно. Эффективность при низких уровнях нагрузки увеличивается при уменьшении частоты, поскольку потери переключения пропорциональны частоте. Однако в силовом дросселе может возникнуть акустический шум (писк), если пониженная частота достигает диапазона ниже 20 кГц становясь, таким образом, слышимой.
Акустический шум, вызванный нагрузкой
Мобильные устройства, такие как ноутбуки, включают в себя различные формы энергосберегающих технологий для экономии заряда батареи, но иногда это является причиной акустического шума/писка в дросселях. Например, процессоры ноутбуков имеют режим, который периодически изменяет токи потребления, чтобы сбалансировать как низкое потребление энергии, так и производительность обработки, но это может повлиять на дроссели преобразователей и вызвать акустический шум, если этот период является периодом слышимой частоты.
Что такое дроссель и зачем он нужен? Роль силовых индукторов в преобразователях постоянного тока
Индукторы позволяют постоянным токам течь плавно, но они генерируют электродвижущую силу в направлении для сдерживания изменений от самоиндуцированных эффектов и ведут себя как сопротивление, когда дело доходит до токов, которые изменяются, таких как переменные токи. Это когда индукторы преобразуют электрическую энергию в магнитную энергию и сохраняют ее, или преобразуют ее в электрическую энергию и излучают ее. Размер этой энергии пропорционален значениям индуктивности катушек.
Силовые индукторы, также известные как силовые катушки или силовые дроссели, являются основными компонентами, используемыми в силовых цепях, работающих по методу переключения в таких устройствах, как преобразователи постоянного тока, и они играют роль сглаживания высокочастотных импульсов, создаваемых состояниями ВКЛ/ВЫКЛ переключающих элементов посредством координации с конденсаторами.
В силовых индукторах силовых цепей протекают высокие токи, поэтому типы намотки являются основными. Высокие значения индуктивности и меньшие размеры могут быть достигнуты с меньшим количеством катушек за счет использования магнитных тел с высокой проницаемостью (ферритов и магнитомягких металлов) в сердечниках. На рисунке ниже показана принципиальная схема преобразователей постоянного тока (неизолированного типа/метод прерывателя) с использованием силовых индукторов.
Механика колебаний в основных корпусах силовых индукторов и усиление звуков и шумов
Вибрации, возникающие в основных корпусах силовых индукторов, генерируют акустический шум посредством протекающих токов частот слышимого диапазона. Ниже приведены причины возникновения вибраций и причины возникновения усиленных звуков и шумов.
Причины вибраций
- Магнитострикция (магнитная деформация) магнитного сердечника
- Притяжение за счет намагничивания магнитного сердечника
- Вибрации в обмотке из-за потока рассеяния
Причины усиленных звуков и шумов дросселей
- Контакт с другими компонентами
- Воздействие на окружающие магнитные тела из-за потока рассеяния
- Соответствие собственным резонансным частотам колебаний целых конструкций (дроссель-материнская плата например)
Причина вибраций: Магнитострикция (магнитная деформация) сердечника дросселя.
Если магнитное тело подвергается воздействию магнитного поля и намагничивается, то произойдут небольшие изменения во внешней форме. Это явление известно как «магнитострикция» или «магнитная деформация». Индукторы с сердечниками из магнитных тел, таких как ферриты, расширяются и сжимаются из-за магнитных полей переменного тока, создаваемых обмоткой, и возникающие вибрации иногда можно обнаружить как звук.
Магнитные тела представляют собой массы небольших областей, известных как «магнитные домены». Направление магнитных моментов атомов внутри магнитных доменов находится в унисон, поэтому магнитные домены являются микромагнитами, в которых спонтанные намагниченности направлены на постоянное значение, но магнитные тела в целом не проявляют характеристик магнитов. Это происходит потому, что множество магнитных доменов, которые составляют магнитные тела, расположены так, что спонтанные намагниченности компенсируют друг друга и кажутся размагниченными.
Диапазоны магнитных доменов изменяются, если эти магнитные тела в размагниченном состоянии подвергаются воздействию магнитных полей извне, потому что каждый магнитный домен пытается расположиться таким образом, чтобы направления спонтанных намагниченностей были направлены в том же направлении, что и внешние магнитные поля. Это вызвано смещением магнитных стенок, которые являются границами между магнитными доменами. Преобладающие магнитные домены расширяются в области по мере прогрессирования намагничивания, пока на конце не останется один магнитный домен, который направлен в том же направлении, что и внешнее магнитное поле (в состоянии насыщенной намагниченности). Во время этого процесса намагничивания на атомном уровне происходят мельчайшие изменения положения, поэтому магнитострикция, то есть изменения внешних форм магнитных тел, происходят на макроуровне.
Изменения внешних форм из-за магнитострикции очень малы и составляют всего около 1/10 000 — 1/1 000 000 от исходных размеров, но магнитные тела многократно расширяются и сжимаются, вызывая вибрации, когда на них намотана катушка по которой протекает переменный ток. Вот почему вибрации в магнитных сердечниках, вызванные магнитострикцией, не могут быть устранены даже в силовых индукторах.
Причина вибраций: Взаимное притяжение из-за намагничивания магнитного сердечника.
Магнитные тела проявляют характеристики магнитов и взаимно притягиваются к окружающим магнитным телам, когда они намагничиваются из-за внешних магнитных полей. На рисунке показан пример полностью экранированного типа силового индуктора. Это силовой индуктор с замкнутым магнитным контуром, и он имеет зазор между сердечником катушки и экранированном (кольцевым сердечником), где генерируются звуки и шумы. Это результат того, что намагниченный сердечник и экранирующий внешний сердечники притягиваются друг к другу посредством магнитной силы из-за магнитных полей, создаваемых протеканием переменных токов в обмотке. Звуки и шумы их вибраций можно услышать, если частота протекающего через катушку тока находятся в слышимом диапазоне.
Зазоры между сердечником и экранированным сердечником заливают клеем, однако вибрации, возникающие из-за взаимного притяжения, не могут быть полностью подавлены, поскольку слишком твердые материалы могут образовывать трещины из-за напряжения и, следовательно, не могут гарантировать тишину на 100%.
Причина вибраций: Вибрации в обмотке из-за потока рассеяния
Вышеупомянутый акустический шум от взаимного притяжения между сердечником барабана и экранированным сердечником из-за намагничивания является проблемой, которая не возникает с неэкранированными типами силовых индукторов, которые не имеют экранированных сердечников. Однако есть другая проблема, которая возникает с неэкранированными типами. Поток рассеяния действует на обмотку, поскольку неэкранированные типы имеют открытые магнитные пути. Сила действует на обмотку в соответствии с правилом левой руки Флеминга, поскольку через нее протекают электрические токи. Поэтому сама обмотка может вибрировать и вызывать акустический шум, если через обмотку протекают переменные токи .
Моё примечание. Другими словами: что экранируй дроссель помещая его в броневой сердечник, что не экранируй — всё равно будет вибрировать если не сам сердечник, так обмотка дросселя.
Причины усиленных звуков и шумов
Причины усиленных звуков и шумов — Контакт с другими компонентами
Незначительные вибрации в индукторах можно услышать как акустический шум, если индукторы соприкасаются с другими компонентами в подложках (печатных платах) силовых цепей, которые подверглись высокоплотному монтажу в большом количестве электронных компонентов и устройств.
Причины усиленных звуков и шумов — Воздействие на окружающие магнитные тела из-за потока рассеяния
Если рядом с индуктором находится магнитное тело, например, защитный экран, это может привести к возникновению акустического шума из-за вибраций, вызванных потоком рассеяния индуктора.
Причины усиленных звуков и шумов (3) Совпадения с собственными частотами колебаний целых наборов, включающих подложки
Вибрации в воздухе из-за магнитострикции обычно не распознаются как акустический шум, когда речь идет о типах отдельных компактных магнитных сердечников, используемых с индукторами. Однако, будут генерироваться множественные собственные частоты колебаний, которые слышны, и вызывать акустический шум, поскольку вибрации усиливаются, если индуктор сформирован из комбинации нескольких частей и установлен на подложке (печатной плате например).
Обычно существует много характерных значений (собственных резонансных частот колебаний), при которых структуры резонируют, и существуют различные режимы колебаний, которые им соответствуют. С математической моделью, например, [силовой индуктор + подложка/плата] для каждой собственной частоты колебаний будут появляться различные режимы колебаний по мере того, как частоты становятся выше.
Меры по борьбе с акустическими шумами в силовых индукторах
Ниже приведены меры по борьбе с акустическим шумом в силовых индукторах DC-DC преобразователей.
Не допускайть работы преобразователей в диапазоне слышимых частот
Недопущение прохождения через индуктор (дроссель) токов слышимых частот является самой базовой мерой.
Однако, если невозможно избежать работы на слышимых частотах, например, в случае прерывистых операций или преобразователей постоянного тока в постоянный ток в режиме переменной частоты с целью экономии энергии, необходимо предпринять меры по глушению акустических колебаний сердечников дросселей: заливка клеем или компаундом.
Не размещать магнитные тела на прилегающих территориях
Не размещайте магнитные тела, которые могут быть затронуты потоком рассеяния (например, экранирующие крышки) вблизи индукторов. Если они должны быть размещены близко друг к другу, обратите внимание на направление их массивов, принимая экранированные типы с низким потоком рассеяния (с замкнутыми магнитными путями).
Смещение собственных частот колебаний
Смещение или увеличение собственных резонансных частот колебаний иногда может снизить акустический шум. Например, собственные частоты колебаний целых наборов, включающих подложки, могут быть изменены путем изменения таких условий, как формы, типы и компоновки индукторов, а также крепления подложек. Кроме того, генерация акустического шума может быть обнаружена в относительно больших силовых индукторах размером около 7 мм или более. Использование компактных силовых индукторов размером 5 мм или менее повышает собственные частоты колебаний и иногда может снизить акустический шум.
Замена на металлический цельный молдинг
Как указано выше, акустический шум может генерироваться в зазорах с полностью экранированными силовыми индукторами из-за взаимного магнитного притяжения между сердечником барабана и экранированным сердечником. Вибрации проводов из-за потока утечки также могут вызывать акустический шум в неэкранированных силовых индукторах.
Замена на литые конструкции индукторов является эффективным решением для таких проблем с акустическим шумом в силовых индукторах. Это силовые индукторы, в которых катушки с воздушным сердечником были заглублены и отлиты в мягкий магнитный металлический порошок. Проблему вибраций в обмотке из-за потока можно избежать, поскольку между сердечниками нет взаимного притяжения, поскольку нет зазоров, и поскольку катушки интегрированы с магнитными телами и зафиксированы. Кроме того, поскольку в продукции TDK используются металлические магнитные материалы с низким уровнем магнитострикции, вибрации из-за магнитострикции будут контролироваться, и можно ожидать снижения акустического шума.
*
Бывает, встречаются люди утверждающие, что слышат или видят явления находящиеся далеко за пределами возможностей человеческой природы. Они могут называть себя экстрасенсами или еще как-нибудь, но психиатр у которого обычно они стоят на учёте (а если еще нет, то просто не попались пока) имеет другое более рациональное объяснение таким сверх способностям.
За более чем 20 лет практики ремонта электроники я взаимодействовал с огромным количеством людей. Бывало, попадались и экстрасенсы с целителями, и люди которых по ночам соседи облучали психотронным оружием, и жертвы тотальной слежки КГБ… В 90-х я выслушивал подобные истории лично или по телефону. Сейчас же люди с расстройствами изливают свои проблемы в интернете жалуясь, что «купил уже четвертую видеокарту, а она так же громко свистит и скрежещет». Горе тому мастеру или сервису взявшемуся устранять неисправность существующую только в голове такого человека…