インダクタ(コイル)

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DC-DCコンバータの静音化ソリューション パワーインダクタの音鳴き対策

ノートパソコンやタブレット、スマートフォン、テレビ、車載電子機器などにおいて、稼働中に「ジー」という音ノイズが聞こえることがあります。これは「音鳴き(鳴き、音鳴り)」と呼ばれる現象で、コンデンサやインダクタといった受動部品が要因となっている場合があります。コンデンサとインダクタでは発生の原理が異なりますが、とりわけインダクタの音鳴きはさまざまな要因が絡みあっていて複雑です。本記事ではDC-DCコンバータなどの電源回路の主要部品であるパワーインダクタの音鳴きの原因および効果的な対策についてご紹介します。

目次

パワーインダクタの音鳴きの要因

間欠動作、周波数可変モード、負荷変動などが、可聴周波数の振動を発生

音波は空気中を伝わる弾性波であり、人間の聴覚では約20~20kHzの周波数領域が「音」として聞こえます。DC-DCコンバータのパワーインダクタにおいては、可聴領域の周波数の交流電流やパルス波が流れると、インダクタ本体が振動することがあり、これが「コイル鳴き」などとも呼ばれる音鳴きとして聞こえることがあります(図1)。

図1:パワーインダクタの音鳴きのしくみ

図1:パワーインダクタの音鳴きのしくみ

電子機器の高機能化とともにDC-DCコンバータのパワーインダクタも、音ノイズの発生源の一つとなっています。DC-DCコンバータはスイッチング素子によるON/OFFによりパルス状の電流をつくり、そのON時間の長さ(パルス幅)を制御することで、一定電圧の安定した直流電流を得ています。これをPWM(パルス幅変調)といい、DC-DCコンバータの主流方式として広く採用されています。

ただし、DC-DCコンバータのスイッチング周波数は、数100kHz~数MHzと高く、この周波数の振動は人間の可聴領域を超えているので、音ノイズとして聞こえません。では、なぜDC-DCコンバータのパワーインダクタが、「ジー」という音鳴きを発生するのでしょうか?

想定される要因はいくつもありますが、まず考えられるのは、バッテリセーブなどを目的に、DC-DCコンバータを間欠動作させている場合や、DC-DCコンバータをPWM方式からPFM(パルス周波数変調)方式に切り替え、周波数可変モードで稼働している場合です。図2にPWM方式とPFM方式の基本原理を示します。

図2:PWM(パルス幅変調)方式とPFM(パルス周波数変調)方式

図2:PWM(パルス幅変調)方式とPFM(パルス周波数変調)方式
PWM調光など、DC-DCコンバータの間欠動作による音鳴き

DC-DCコンバータの間欠動作は、たとえば、省エネなどを目的として、モバイル機器の液晶ディスプレイのバックライトの自動調光機能などに導入されています。使用環境の照度に応じて、バックライトの明るさを自動調光してバッテリの持ち時間を延長するシステムです。
この調光にはいくつかの方式がありますが、LEDの点灯時間・消灯時間の長さを制御する方式は、PWM調光と呼ばれています。PWM方式の調光システムは、調光による色度変化が少ないなどのメリットがあるため、ノートパソコンやタブレットなどのバックライトに採用されています。

PWM調光は、200Hz前後の比較的低い周波数でDC-DCコンバータを間欠動作させ、点灯・消滅を繰り返すことで明るさを調整する方式です。点灯・消滅の一定サイクルにおいて、点灯時間のほうを長くすると明るくなり、短くすると暗くなります。200Hz程度の間欠動作では、バックライトのちらつきは目にほとんど感じません。しかし、可聴周波数であるため、基板上に実装されたパワーインダクタに間欠動作の電流が流れると、この周波数の影響を受けてインダクタ本体が振動し、音鳴きの発生につながることがあります。

ノート:デューティ比

DC-DCコンバータにおいて、スイッチング周期(スイッチング素子のON時間+OFF時間)に対するON時間の比をデューティ比といいます。LEDのPWM調光の場合は、点灯時間/(点灯時間+消灯時間)をデューティ比といい、明るさの度合を表します。

周波数可変モードのDC-DCコンバータによる音鳴き

PWM方式のDC-DCコンバータは通常動作で約80~90%以上の高効率を特長とします。しかし、待機時などの軽負荷時においては、効率は著しく低下してしまいます。スイッチングにともなう損失は周波数に比例します。このため、軽負荷時でも一定のスイッチング損失が発生し続けるため、効率を低下させてしまうのです。

そこで、この問題を改善するため、軽負荷時ではPWM方式からPFM(パルス周波数変調)方式に自動切り替えするDC-DCコンバータが利用されています。PFM方式は負荷の軽減に応じて、ON時間を一定にしたまま、スイッチング周波数を制御する方式です。ON時間が一定なので、OFF時間を長くすることで、スイッチング周波数はしだいに低くなっていきます。スイッチング損失は周波数に比例するので、周波数を低くすることにより、軽負荷時での高効率化が実現します。ただし、低くなった周波数が、可聴周波数である約20~20kHzの領域に及ぶと、パワーインダクタの音鳴きが発生するおそれがあります。

負荷要因による音鳴き

ノートパソコンなどのモバイル機器には、バッテリセーブを目的として、さまざまな省電力技術が投入されており、それが原因でインダクタの音鳴きをもたらす場合があります。例えばノートパソコンのCPUでは、低消費電力と処理能力の両立を目的として消費電流を周期的に変動させるモードがあり、その周期が可聴周波数の場合パワーインダクタがその影響を受けて音鳴きを起こすことがあります。

ノート:DC-DCコンバータにおけるパワーインダクタの役割

インダクタは直流電流をスムーズに流しますが、交流電流のように変化する電流に対しては、自己誘導作用により変化を阻止する向きに起電力を発生して、抵抗のように振る舞います。このとき、インダクタは電気エネルギーを磁気エネルギーに変えて蓄え、また電気エネルギーに変えて放出します。そのエネルギーの大きさはインダクタのインダクタンス値に比例します。
パワーコイル、パワーチョークなどとも呼ばれるパワーインダクタは、DC-DCコンバータなどのスイッチング方式の電源回路に使用される主要部品で、スイッチング素子のON/OFFによってつくられる高周波のパルスをコンデンサとの協調により平滑化する役割を担います。
電源回路のパワーインダクタには大電流が流れるため、巻線型が主流です。高透磁率の磁性体(フェライトや軟磁性金属)をコアに用いることで、少ない巻数で高いインダクタンス値が得られ、より小型化が図れるからです。図3にパワーインダクタを用いたDC-DCコンバータ(非絶縁型・チョッパ方式)の基本回路を示します。

図3:DC-DCコンバータ(非絶縁型・チョッパ方式)の基本回路

図3:DC-DCコンバータ(非絶縁型・チョッパ方式)の基本回路

パワーインダクタ本体の振動および音ノイズ増幅のメカニズム

可聴領域の周波数の電流が流れ込むことにより、パワーインダクタ本体に引き起こされる振動が、音鳴きを発生させます。その振動要因および音ノイズの増幅要因には、次のようなものがあります。

    振動要因
  • ① 磁性体コアの磁歪(磁気ひずみ)作用
  • ② 磁性体コアの磁化による引き付けあい
  • ③ 漏れ磁束による巻線の振動
    音ノイズの増幅要因
  • ① 他の部品との接触
  • ② 漏れ磁束による周辺の磁性体への作用
  • ③ 基板を含めたセット全体の固有振動数に一致

パワーインダクタの音鳴きをもたらす振動要因および音ノイズの増幅要因を図4にまとめました。これらの要因の主なものについて、以下に解説します。

図4:パワーインダクタの音鳴きをもたらす振動要因および増幅要因

図4:パワーインダクタの音鳴きをもたらす振動要因および増幅要因

振動を発生させる各種要因と作用

振動要因①:磁性体コアの磁歪(磁気ひずみ)

磁性体に磁界を加えて磁化すると、わずかながら外形が変化します。この現象を「磁歪(じわい)」あるいは「磁気ひずみ」といいます。フェライトなどの磁性体をコアとするインダクタでは、巻線から発生する交流磁界により磁性体コアが伸縮して、その振動が音として検出される場合があります。

図5:磁性体の磁歪(磁気ひずみ)作用

図5:磁性体の磁歪(磁気ひずみ)作用

磁性体は磁区と呼ばれる小領域の集まりです(図5)。磁区内部は原子の磁気モーメントの向きがそろっているため、磁区は自発磁化の向きが一定の微小磁石となっていますが、磁性体全体では磁石としての性質は示しません。磁性体を構成する多数の磁区は、自発磁化を互いに打ち消し合うように配列して、見かけ上、消磁状態となっているからです。
この消磁状態の磁性体に外部から磁界を加えると、それぞれの磁区は自発磁化の向きを外部磁界の方向にそろえようとするため、磁区の領域が変化していきます。これは磁区どうしの境界である磁壁の移動によって起こります。こうして磁化が進むにつれ、優勢な磁区がますます領域を拡大し、最終的には単一の磁区となり、外部磁界の方向にそろいます(飽和磁化状態)。この磁化過程においては、原子レベルで微小な位置変化が起きるため、それがマクロレベルでは磁歪すなわち磁性体の外形変化として現れます。
磁歪による外形変化は、元の寸法の約1万分の1~100万分の1というわずかなものですが、図5に示すように磁性体にコイルを巻いて交流電流を流し、発生する交流磁界が印加されると、磁性体は伸縮を繰り返して振動します。このため、パワーインダクタにおいても、磁歪による磁性体コアの振動をゼロにすることはできません。パワーインダクタ単体の振動レベルが小さくても、基板に実装されたとき、基板の固有振動数と一致したりすると、振動が増幅されて音鳴きとして聞こえる場合があります。

振動要因②:磁性体コアの磁化による引き付けあい

図6:ドラムコアとシールドコアの引き付けあいによる音鳴き

図6:ドラムコアとシールドコアの引き付けあいによる音鳴き

磁性体は外部磁界によって磁化されると磁石の性質を示し、周囲の磁性体と互いに引き付けあうようになります。図6はフルシールドタイプのパワーインダクタの例です。これは閉磁路構造のパワーインダクタですが、ドラムコアとシールドコア(リングコア)の間はギャップが設けられていて、そこから音ノイズが発生することがあります。巻線に交流電流が流れると、発生する磁界によって磁化されたドラムコアとシールドコアが磁力で引き付けあい、その振動が可聴周波数の範囲であれば音ノイズとして聞こえるようになるからです。

ドラムコアとシールドコアのギャップは接着剤で封止されていますが、応力によるクラックの発生を防ぐため、あまり硬い材料は使えず、引き付けあいによる振動を完全に抑制することはできません。

振動要因③:漏れ磁束による巻線の振動

前述のドラムコアとシールドコアの磁化による引き付けあいによる音鳴きは、シールドコアをもたないノンシールドタイプのパワーインダクタにおいては起こらない問題です。しかし、ノンシールドタイプでは別の問題が発生します。ノンシールドタイプは開磁路構造であるため、漏れ磁束(漏洩磁束)が巻線に作用します。巻線には電流が流れているため、フレミングの左手の法則に従い、巻線に力が作用します。このため、巻線に交流電流が流れると、巻線そのものが振動して音鳴きが起こる場合があります(図7)。

図7:漏れ磁束による巻線の振動

図7:漏れ磁束による巻線の振動

音ノイズを増幅させる各種要因

音ノイズの増幅要因① 他の部品との接触

多数の電子部品・デバイスが高密度実装されている電源回路の基板において、インダクタが他の部品と接触していると、インダクタの微小な振動が増幅され、音鳴きとして聞こえる場合があります。

音ノイズの増幅要因② 漏れ磁束による周辺の磁性体への作用

インダクタの近くにシールドカバーなどの磁性体があった場合、それがインダクタの漏れ磁束の影響で振動して音鳴きを発生させる場合があります。

音ノイズの増幅要因③ 基板を含めたセット全体の固有振動数に一致

通常、インダクタに使用されるような小型の磁性体コア単体の場合、その磁歪による空気の振動が、音鳴きとして認識されることはあまりありません。しかし、複数のパーツの組み合わせでインダクタが形成され基板に実装されると、可聴周波数の固有振動数が複数発生し、その振動が増幅されて音鳴きが発生します。また、セット全体に複数ある固有振動数に一致する事で、セットに組み込み後に音鳴きを発生する場合もあります。
FEM(有限要素法)を用いたコンピュータ・シミュレーションによるパワーインダクタを実装した基板の振動解析例を図8に示します。パワーインダクタを基板(FR4)の中央に配置し、基板の長辺2面を固定した解析モデルを用いました。
一般に構造体が共振する固有値(固有振動数)は多数あり、それに応じてさまざまな振動モードがあります。この「パワーインダクタ+基板」の解析モデルにおいても、周波数を高めていくにつれ、固有振動数ごとにさまざまな振動モードが現れます。図8に示した1次・2次・5次・18次の振動モードは、パワーインダクタが振動源と考えられます。このうち1次モードの振動周波数は、パワーインダクタ単体の振動周波数とほとんど同じです。しかし、Z方向(高さ方向)の振動が顕著な2次モードは、パワーインダクタ単体では高い周波数で現れますが、基板に固定するときわめて低い周波数で現れることが注目されます。

図8:コンピュータ・シミュレーションによる「パワーインダクタ+基板」の振動解析例

《解析モデル》パワーインダクタを基板(FR4)の中央に配置。
境界条件:基板の長辺2面を固定。

  • 1次モード :2034Hz図8:コンピュータ・シミュレーションによる「パワーインダクタ+基板」の振動解析例 [1次モード :2034Hz]
  • 2次モード :2262Hz図8:コンピュータ・シミュレーションによる「パワーインダクタ+基板」の振動解析例 [2次モード :2262Hz]
  • 5次モード :4048Hz図8:コンピュータ・シミュレーションによる「パワーインダクタ+基板」の振動解析例 [5次モード :4048Hz]
  • 18次モード :16226Hz図8:コンピュータ・シミュレーションによる「パワーインダクタ+基板」の振動解析例 [18次モード :16226Hz]
図8:コンピュータ・シミュレーションによる「パワーインダクタ+基板」の振動解析例

パワーインダクタの音鳴き対策

以下に、DC-DCコンバータのパワーインダクタの音鳴き対策のポイントをまとめてみました。

ポイント1:可聴周波数の電流を流さない

可聴周波数の電流を流さないことが最も基本的な対策です。
しかしながら、省エネなどを目的とした間欠動作や周波数可変モードのDC-DCコンバータなど、可聴周波数の通電が避けられない場合は、以下のような静音化対策を試みてください。

ポイント2:周囲に磁性体を配置しない

インダクタの近くに、漏れ磁束の影響を受けるような磁性体(シールドカバーなど)を配置しないようにします。近接しなければならないときは、漏れ磁束の少ないシールドタイプ(閉磁路構造)のインダクタを採用するとともに、配置の向きにも注意します。

ポイント3:固有振動数をずらす

固有振動数をずらしたり、高くしたりすることで音鳴きを低減できる場合があります。たとえば、インダクタの形状や種類、レイアウト、基板の締め付けなどの条件を変更することにより、基板を含めたセット全体の固有振動数が変わります。また、音鳴きの発生は、おおむね7mmサイズ以上の比較的大型のパワーインダクタにみられます。5mm以下の小型のパワーインダクタを採用することで、固有振動数が高くなり、音鳴きを低減できる場合があります。

ポイント4:金属一体成型タイプへの置き換え

上述したように、フルシールドタイプのパワーインダクタでは、ドラムコアとシールドコアの磁気的な引き付けあいにより、ギャップで音鳴きを発生する場合があります。また、ノンシールドタイプのパワーインダクタでは、漏れ磁束によるワイヤの振動が、音鳴きを起こすことがあります。
こうしたパワーインダクタの音鳴き問題のソリューションとしては、金属一体成型タイプへの置き換えが効果的です。これは軟磁性の金属磁性粉の中に空心コイルを埋設して一体成型したパワーインダクタです。ギャップがないためコアどうしの引き付けあいがなく、またコイルは磁性体と一体となって固定されているので磁束による巻線の振動の問題も回避できます。さらにTDKの製品は磁歪の小さい金属磁性材料を採用しているので、磁歪による振動も抑制され、ノンシールドタイプやフルシールドタイプから置き換えることで音鳴き低減が期待できます。

フルシールドタイプと金属一体成型タイプの音ノイズの比較

フルシールドタイプとセミシールドタイプのパワーインダクタ(TDK製品、約6mmサイズ)、およびフルシールドタイプと金属一体成型タイプのパワーインダクタ(TDK製品、約12mmサイズ)を測定サンプルとして、音ノイズの発生状況を調べてみました。無響ボックスの内部にマイクロフォンを設置し、基板に実装した測定サンプルに、0A~定格電流のサイン波の電流を60秒間、可聴周波数である20Hz~20kHzで掃引して通電、ピークとなる音圧を記録しました(図9)。
グラフが示すように、フルシールドタイプとセミシールドタイプを比べると、周波数によって音圧レベルに違いがあることがわかります。
フルシールドタイプと金属一体成型タイプの比較では、その差は顕著に現れています。フルシールドタイプでは、広い周波数帯域にわたって30~50dB前後のレベルの音ノイズが発生しています。一方、金属一体成型タイプでは広い周波数帯域で背景ノイズと同等の低いレベルを保ち、ピーク部もフルシールドタイプと比べて約20dBほど抑制されています。20dBの抑制とは10分の1のレベルであり、金属一体成型タイプへの置き換えが効果的であることがわかります。

図9:各種パワーインダクタの音ノイズ評価例

駆動条件
基板サイズ 100×40×1.6mm
マイクの距離 300mm
掃引周波数 20Hz~20kHz
掃引時間 60秒
電流 定格電流
図9:各種パワーインダクタの音ノイズ評価例

TDKの金属一体成型タイプのパワーインダクタは、音鳴き対策に効果的であるとともに、漏れ磁束がきわめて少なく、信号ライン近傍などに配置しなければならない場合などにも適しています。詳しくは、アプリケーションノート「漏れ磁束(漏洩磁束)を考慮したパワーインダクタの選定ガイド」をご覧ください。
また、フェライトコアを用いたタイプのTDKのパワーインダクタは、インダクタンスのバリエーションが広く、高いインダクタンス値まで対応できるのが特長です。量産性にもすぐれ、さまざまな機器に多用されています。
パワーインダクタの各種タイプには、それぞれの持ち味と使用メリットがあります。適材適所に使い分けて、製品づくりにお役立てください。

製品情報およびサンプル購入

※お客様の用途に応じたタイプ/品番をお選びいただき、お客様の製品の信頼性向上にお役立てください。

■ 電源回路用インダクタ セレクションガイド

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