以微型加速度传感器测量电感振动并评估噪音的方法

孙娜

（联想北京有限公司，北京，100193）

0 引言

目前业界会对电脑进行整机噪音测试，但只能量测产品整体的噪音水平。电脑机箱内有多个噪音源存在，噪音混合在一起，不好区分来源。整机噪音测试需要在专业的静音实验室测试，周期长，价格贵，且无法独立量测电感带来的噪音大小。

目前业界还没有给电感个体定义噪音相关的参数，电感厂商在设计和制造过程中并不会测量电感单体噪音的大小。仅有个别大型的电感厂商会将个别产品放在已有产品上评测是否噪音过大。电感发出噪音的大小不仅与电感本身特征有关，还有电路电流的行为有关。实际应用中，当实际产品出了噪音问题后，电感厂商才会根据经验通过点胶，浸凡利水等操作降低电感噪音。本文提出了一个用动态电流模拟实际电路的电流，激发电感振动，用微型加速度传感器测量电感的振动的方法，用数据采集仪采集振动加速度的时域数据，再经傅里叶变换为频域数据，最终得到被测个体的振动频率谱。在得到电感的振动频率谱后，除以输入电流，可以得到和噪音相关的电感振动参数。使用此方法，可以给设计者提供选择参考，无需静音实验室，在开发初期即可提前评估电路的噪音风险，为改进产品噪音提供帮助。

1 电感振动测量系统示意图

将电感串联在测试回路中：稳压电源正极接电感管脚1，负极接电路板上的地，负载仪正极接电感的管脚2，负极接电路板上的地[1]。将微型加速器贴在电感表面。设置负载仪的电流参数，测量加速度的时域数据，将采样数据分析计算，绘制出音频区域的振动谱线，如图1。

稳压电源可以使用常见的个人电脑电源，提供12V直流供电。也可以使用稳压电源。

负载仪使用：Chroma63030，可以设置动态负载。

电感可以有两种安装方式：（1）将电感焊接在PCB表面，模拟电感组装在电子产品上后的振动行为，如图2电感焊接在电路板表面，在被测主板的电感上表面贴装加速度传感器。为了避免其他电路的影响，主板其他电路并不上电，仅接通被测电感所在电路。（2）通过柔性导线延长管脚，使电感独立于PCB放置，测量电感本身的振动，去除PCB的影响，如图3。

图2 实测系统照片

图3 传感器粘贴在电感上表面

2 电子负载仪拉载电流

用电子负载仪拉载方波电流。跳变频率可以通过设置电流跳变时间来自由调整，例如可由20Hz到14KHz。根据电感和电路的电流参数选择拉载电流。本实验设置电流从0A跳变到5A。电流变化斜率设置为该负载仪支持的最大斜率。

使用示波器和电流探棒量测负载仪的拉载电流。本实验所用的负载仪实测拉载电流斜率只有0.25A/us。将量测的电流波形用示波器自带的工具做傅里叶分析，绘制出拉载电流的频率谱。

图4 200Hz周期的方波电流波形和频谱

200Hz拉载电流频谱显示200Hz基频的谱线能量最高，随后每隔400Hz出现一个峰值，如600Hz，1kHz，1.4kHz等，能量随频率增加依次递减。

3 数据采集和分析

用微型加速度传感器量测电感上表面振动的加速度，用数据采集仪收集传感器数据，采样频率设为25kHz。

捕捉10s的振动数据，FFT分析点数选择8192点，去除直流分量，加汉宁窗，进行线性平均计算，绘制1Hz到22KHz的音频范围的频谱图。

图5上半部分为传感器捕捉的10s振动加速度时域的波形，下半部分为傅里叶变换后取平均值绘制出来的频谱图。

图5拉载电流：频率200Hz，拉载电流 0～5A，电流变化斜率0.25A/us。

图5 200Hz拉载电流下绘制的电感样品一振动频谱

200Hz的拉载电流得到的加速度谱线较稀疏。但可以观察到在3KHz和20KHz有两个峰值点。

图6拉载电流：频率20Hz，拉载电流 0～5A，电流变化斜率0.25A/us。

图6 20Hz拉载电流下绘制的电感样品一振动频谱

电流拉载动态频率越低，频谱分析的谱线间隔越小。20Hz的谱线要比200Hz的谱线更细腻，但由于同电流幅值下，20Hz的波形比200Hz的波形高频分量能量降低，导致谱线高度整体减小。如果希望频谱测量精度提高，则选择低拉载频率，如果希望提高振动能量，则适当提高频率。

该颗电感在音频范围存在两个明显的谐振峰，第一个在3.3KHz，第二个在20KHz。在低频率高斜率的跳变电流刺激下，该颗电感会发出3.3KHz左右的噪声。如果存在3.3K附近频率的跳变电流，将激发电感谐振，发出更强噪声[2]。

该颗电感的整改方向，可以想办法降低谐振峰的峰值，或者调整谐振峰的频率。

图7 200Hz拉载电流下绘制的电感样品二振动频谱

用同样的方法测试第二颗电感样品，采用200Hz，0～5A，0.25A/us的拉载电流，得到的加速度音频谱。

电感样品二的振动最高峰在16kHz，10KHz～20KHz的高频段噪音高，1kHz以下的低频段基本无噪音。整体噪音高于样品一。

4 人耳主观听噪音结果与加速度谱线数值的关系

同一颗电感，音频范围的最大振动加速度越大，噪音越大。目前个人电脑中常用的电感体积较小，表面积大多在1平方厘米左右。人耳在距离该电感10厘米的位置感受该电感噪音：当测量到的3.3kHz谱线高于1mg时，可以听到滋滋的电流噪声。谱线越高，噪音越大。减小拉载电流值，当3.3kHz谱线高度降到0.5mg以下时，噪声较难听到。

5 衡量电感噪音的参数

直接测量得到的振动加速度频率曲线与拉载电流的频率曲线相关，同一频点处，电流越大，加速度越大。因为使用的是跳变的近似方波电流，该电流频谱显示电流随着频率增高而能量递减。如果想要排除电流大小对结果的影响，可以将各频点的加速度数值除以电流数值，得到统一单位电流下的加速度曲线。

定义评估噪音的参数GA：各频点的振动加速度除以输入电流值，单位g/A。

新定义的GA参数，可以方便产品开发者选用适用的低噪声电感。电感厂商需要提前测试出设定电流下的电感的振动加速度，绘制出GA曲线。

本文的方法可以不限于电感，也可用于测量其他元件，例如电容和电路板的振动，帮助设计者更好的分析噪音问题。