磁耦隔离器分解.docx

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磁耦隔离器分解

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磁耦隔离器

一磁耦简介

磁耦：

基于磁隔离技术的隔离器件，也称为磁隔离器。

磁耦合隔离是指利用电磁感应原理，把需要传输的变化信号加在变压器的初级线圈，该信号在初级线圈中产生变化的磁场，变化的磁场使次级线圈的磁通量发生变化，从而在次级感应出与初级线圈激励信号相关的变化信号输出，在整个信号的传输过程中，初级与次级之间没有发生电连接，从而达到隔离初次级的目的。

磁耦隔离器根据对信号编解码的不同，主要有脉冲调制变压器隔离器（ADI公司）和巨磁电阻隔离器（NVE公司和安华高公司）。

脉冲调制变压器隔离器

ADI公司的iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器，是采用脉冲调制方式实现的数字隔离器件。

磁隔离变压器采用平面结构，在晶圆钝化层上使用CMOS金属和金构成。

金层下有一个高击穿的聚酰亚胺层，将顶部的变压器线圈与底部的线圈隔离开来。

连接顶部线圈和底部线圈的CMOS电路为每个变压器及其外部信号之间提供接口。

晶片级信号处理提供了一种在单颗芯片中集成多个隔离通道以及其它半导体功能的低成本的方法。

磁隔离技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题；功耗降低了90%；并且无需外部驱动器或分立器件。

图1脉冲调制变压器隔离器剖面图

磁隔离的每个线圈的直径大约是500um，匝数15。

顶部线圈粗4um，采用金材料制成；底部线圈粗1～2um，采用铝或金材料制成。

磁耦隔离器是空心变压器，没有磁芯。

为了实现紧密互耦，将两个15匝、直径500um的线圈直接堆叠，空隙仅为20um。

这使得耦合系数大于0.8。

工作原理

iCoupler数字隔离器使用传送到给定变压器初级端的脉冲对输入逻辑跳变进行编码。

这些脉冲从变压器初级线圈耦合到次级线圈，并且由次级端电路检测。

然后，该电路在输出端重新恢复成输入数字信号。

此外，输入端还包含一个刷新电路，保证即使在没有输入跳变的情况下输出状态也与输入状态保持匹配。

图2脉冲调制变压器隔离器原理图

数字信号的传送通过发送大约1ns宽的短脉冲到变压器另一端来实现，两个连续的短脉冲表示一个上升沿，单个短脉冲表示下降沿。

信号传送框图如下图所示。

次级端有一个不可重复触发的单稳态电路产生检测脉冲。

如果检测到两个脉冲，输出就被置为高电平。

相反的，如果检测到单个脉冲，输出就置为低电平。

采用一个输入滤波器有助于提高噪声抗扰能力。

如果1ms左右没有检测到信号边缘，发送刷新脉冲信号给变压器来保证直流的正确性（直流校正功能）。

如果输入为高电平，就产生两个连续的短脉冲作为刷新脉冲，如果输入为低电平，就产生单个短脉冲刷新。

这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入很重要。

为了补充驱动器端的刷新电路，在接收器端采用了一个监视定时器来保证在没有检测到刷新脉冲时，输出处于一种故障安全状态。

图3脉冲调制变压器隔离器工作流程图

对于磁耦来说，每个通道都包含一个输入缓冲器，一个编码器（内置刷新发生器），一个隔离变压器，一个解码器（内置看门定时狗）和一个输出缓冲器。

下图即为ADUM1100的内部结构示意图

图4ADUM1100的内部结构示意图

技术特点

1技术核心是发射与接收信号的平面变压器：

这些变压器完全由标准半导体制造工艺进行集成，磁耦由被聚酰亚胺层分开的两个线圈组成，聚酰亚胺层起到隔离阻障的作用。

由于磁耦隔离器的目的是将输入和输出信号隔离开来，所以变压器初级端电路与变压器次级端电路必须在隔离的芯片上。

变压器本身可以放置在任意芯片上，也可以放在第三个芯片上。

图5封装图

由于采用金材料制作底部线圈与顶部线圈，并通过增加线圈绕线的直径降低阻抗，因此可以优化变压器，使得能跨越隔离阻碍传输能量。

这样做不会影响信号隔离度。

2能够将发送和接收通道集成在同一个封装中：

由于磁隔离变压器本身是双向的，所以只要将合适的电路放置在变压器的任意一边，信号就可以按照任意方向通过。

按照这种工作方式，可采用多种收发通道配置来提供多通道隔离器。

2可用作为隔离DC/DC转换器的变压器：

允许将数据隔离和电源隔离两种功能都集成在一个封装内。

4抗外部磁场干扰能力极强：

电磁耦合的主要缺点是对外部磁场（噪声）的磁化和受外部磁场干扰，磁耦受外部磁场的影响较小，因为磁耦的尺寸极小，其直径大约只有0.3mm。

将一个频率为1MHZ的电流置于距离磁耦5mm远处，要想破坏磁耦的性能，其电流

圈阻抗是25Ω，底部铝线圈阻抗是50Ω。

这样的L/R比值使得低频信号无法直接通过。

3能传输直流和高频信号：

磁隔离技术采用创新的编码电路通过变压器传输仅1～2ns宽的脉冲，而不管输入信号的频率。

解码电路由这些1～2ns宽的脉冲重新恢复出输出信号。

这种编码/解码方法允许iCoupler磁隔离产品传输直流和高频信号。

4磁隔离可以在低成本条件下实现多通道及其他功能集成。

iCoupler与光耦的比较

iCoupler磁耦隔离系列产品的功耗仅为传统光耦的1/10---1/60左右，速度最高可达150M。

可集成多个通道，且通道方向分布灵活。

iCoupler数字隔离器系列产品的最高隔离电压是5KV，最高绝缘电压是600V，最低瞬态共模抑制能力是25KV/µs，兼容TTL/CMOS，供电电压2.7V~5.5V，最大驱动电流为0.1A。

以下即为iCoupler与光耦的比较：

1性能：

速度更高、瞬态共模抑制能力更强（25kv/μs）

时序精度，瞬态共模抑制力，通道间匹配程度均优于传统光电隔离器；瞬态抗扰度可高达25kV/us。

其额定隔离电压是高隔离度光电耦合器的两倍，并且数据传输速率和时序精度是其10倍。

2总成本：

集成度更高

iCoupler磁耦产品用薄片加工技术制造的，因此，多隔离通道能够有效地与其他半导体功能结合起来。

集成度更高，最多一个芯片上集成了4个通道，能够减少40％～60％的尺寸和成本。

采用了低成本、小体积的SOIC封装。

每通道成本为传统高速光电隔离器的40％。

3功耗：

最少只有0.8mA

因为iCoupler磁耦产品不包含效率低的发光二极管和光敏三极管，它的功率只有光耦的2％。

也因此减少了散热，改善了性能，并且常常因此节省了成本。

4简单易用：

不用任何分立元件支援

所有的iCoupler磁耦产品都有标准的CMOS数字输入输出接口，没有外部组成部分需要通过其它数字设备连接到磁耦。

此外，iCoupler磁耦产品的性能在温度，电压和整个寿命中是极稳定的。

磁耦因此能够被快速地被应用到任何设计中而不需要复杂联合的光耦。

分类

目前各大厂商的数字隔离器里面，ADI的数字隔离器种类最多、型号最全、功耗最低、IO驱动能力最强（-35mA---+35mA）。

不仅可提供5000V隔离度的隔离器，还可提供RS232、RS485、USB等隔离芯片，而且是唯一可集成DC-DC隔离电源隔离芯片。

以下是ADI磁隔离芯片的选型表及几种主要类型的芯片介绍：

1通用型多通道数字磁隔离器

灵活的通道配置，用来替代之前的光耦产品；

典型型号：

ADUM1201、ADUM1411

ADUM1201电源电压范围在2.7V到5.5V之间，可以实现低电压供电。

电源和参考地之间需要接入0.01μF到0.1μF电容，以滤除高频干扰，电容和电源之间的距离应该在20mm以内，这样可以达到更好的滤波效果。

由于两个隔离通道高度匹配，通道间串扰很小，并且采用两通道输入输出反向设计，大大简化可隔离器与所隔离两端的硬件连接。

图6ADUM1201内部框图

ADUM1201正常工作时，两端的供电源需要同时上电才能保证ADUM1201两通道都能正常工作，如果有一个没有上电就能导致整个芯片无法正常工作。

图7ADUM1201的应用图

2隔离型RS-485收发器

高集成度及稳定性，改变传统的分立隔离方案；

典型型号：

ADM2483、ADM2587E

ADM2483功能上相当于集成了三个单通道的光耦和一个RS485收发器，速率是500Kbps，封装是SOW—16。

图8ADM2483内部框图

体积小：

原来需要用三个6N137和一个MAX485、还有一个DC-DC隔离电源模块来做RS485通讯的接口隔离，现在只需用一个ADM2483和一个DC-DC隔离电源模块就可以了，因为磁隔离技术属于电压型，所以无需外接限流电阻，而且前端支持3.3V/5V供电，大大简化了电路和提高了性能。

独特的电源监控功能：

ADM2483有一个电源监控脚PV，这个引脚的功能是供电电源监测，当供电电源低于2.0V时，此引脚置低，ADM2483不工作，当供电电源高于2.0V时，此引脚则会自动置高，ADM2483工作，一般在实际应用中，将其置高或悬空（注：

置高时最好接一10K左右上拉电阻，以防电流过大将PV脚烧坏）。

图8ADM2483的应用图

A、B总线端：

ADM2483内部集成的RS485收发器，具有热关断与输入失效保护功能。

但ADM2483并不具有ESD保护功能（最多人体模式可到4000V），所以，总线端需加保护电路。

3隔离型RS-232收发器

完全的数据隔离，以单芯片实现RS-232接口隔离；

典型型号：

ADM3251E

ADM3251E是一款高速、2.5kV完全隔离、单通道RS-232/V.28收发器，采用5V单电源供电，数据速率高达460kbps。

这款器件非常适于工作在苛刻的电气环境，或频繁插拔RS-232电缆的环境中。

ADM3251E集成了双通道数字隔离器以及isoPower集成隔离电源。

由于内置ADI公司iCoupler技术的芯片级DC-DC转换器，因此无需外部分立的隔离DC-DC转换器。

图9ADM3251E内部框图

ADM3251E的典型应用电路图如下，图中的插针1、2可直接连接MCU的UART，C1、C2是ADM3251E的两个去耦电容，VISO可实现5V的稳定输出，前端的VCC兼容3V/5V工作电压（3V工作时，内部DC/DC不工作，需双端供电）。

ADM3251E的高集成度使得原来复杂的多分立器件RS232系统，真正的可以单个芯片实现，不仅节约了PCB面积，而且降低了研发成本，可以说是工业RS232接口的首选。

图10ADM3251E的应用

4集成DC/DC的数字磁隔离器

集成电源隔离，使隔离电路设计更简化；

典型型号：

ADUM5401、ADUM5402

ADuM5401DC-DC转换器部分的工作原理：

采用副边控制器结构，集成隔离脉宽调制（PWM）反馈。

VDD1为振荡电路提供电源，该电路将开关电流输入一个芯片级空芯变压器。

传输至副边的电源经过整流并调整到3.3V或5V。

副（VISO）边控制器通过产生PWM控制信号调整输出，该控制信号通过专用iCoupler数据通道被送到原（VDD1）边。

PWM调制振荡电路来控制传送到副边的功率。

通过反馈可以实现更高的功率和效率。

图11ADUM5401内部框图

ADUM5401的典型应用：

锂离子电池组包含大量的电池单元，必须正确监控才能提高电池效率。

下图所示电路中的6通道AD7280A充当主监控器，向电池管理控制器（BMC）提供精确的测量数据。

AD7280A位于电池管理系统（BMS）的高压端，具有一个菊花链接口，最多能将8个AD7280A堆叠在一起，以监控48个锂离子电池单元的电压。

堆叠中的相邻AD7280A可以直接通信，向上向下传递数据，而无需隔离。

堆叠底部的AD7280A主器件使用SPI接口与BMC通信，只有在这个地方才需要高压电流隔离，以便保护BMS的低压端。

数字隔离器ADuM1201和集成DC/DC转换器的隔离器ADuM5401共同提供所需的6通道隔离，构成一种紧凑、高性价比的解决方案。

图12锂电池组应用图

5双向信号磁隔离器

实现单路通道双向隔离，适用于1-wire、2-wire总线；

典型型号：

ADUM1250

ADuM1250/ADUM1251是一款无锁存双向传输的I2C、SMbus、PMbus、1-wire总线隔离器，支持热插拔。

包含与I²C接口兼容的非闩锁、双向通信通道。

这样就不需要将I²C信号分成发送信号与接收信号供单独的光电耦合器使用。

图13ADUM1250内部框图

下图为传统的电池检测电路，由于各监测板不共地，所以发送和接收的信号都需经光电耦合器6N135进行隔离，由于DS2438输出电流较小，不能驱动光电耦合器，故增加了驱动／缓冲器74LS07。

DS2438的数据输出端DQ为漏极开路，所以增加上拉电阻R7。

数字信号在传输过程中抗干扰能力强，提高了测量精度，各检测板并行工作，可以同时监测电池组中的各单体蓄电池的状态。

但这在多串的电池保护中，增加了电路的体积与成本。

对于隔离部分下图a使用2个高速光耦6N135来实现1-wrie总线的隔离。

在这个电路里由于DS2438输出电流较小，不能驱动光电耦合器，故增加了驱动／缓冲器74LS07。

这样子不仅增加了电路的体积，而且也增大了电路的功耗。

因为ADUM1250几乎不需要什么电流驱动，所以可以直接与电池检测芯片相连。

而且其隔离两端均支持2.7V--5.5V工作电源，且具有电平转换功能。

功耗仅为3.5mA---4.6mA。

所以只要使用一片ADUM1250，再配合几个电阻电容的使用。

就可轻松的完成两串电池组的隔离，（a图仅为一串电池组的隔离电路）

图14使用6N1351的-wrie总线的隔离图

图15使用光耦6N135隔离使用磁耦ADUM1250隔离

6门级驱动型磁隔离器

提供高边及低边控制信号隔离，直接驱动MOS管；

典型型号：

ADUM5230

ADuM5230是一款隔离半桥门极驱动器，可提供独立和隔离的高端与低端输出。

该隔离器件包括一个提供隔离高端电源的集成DC-DC转换器。

这消除了与外部电源配置（如自举电路）相关的成本、空间与性能难题。

该高端隔离电源不仅能为ADuM5230高端输出供电，而且可为ADuM5230中适用的任何外部缓冲器电路供电。

与采用高压电平转换的方法的门极驱动器相比，ADuM5230在输入端和任一输出端之间提供了真正的电流隔离。

每一个输出端的工作电压相对于输入端的工作电压，电压差可以高达±700VP，因此低端可工作于负压状态。

高端与低端之间的差分电压可高达700VP。

图16ADuM5230的内部框图

应用：

MOSFET/IGBT门极驱动；等离子显示模块；马达控制；电源；太阳能电池板逆变器。

7USB总线磁隔离器

业界首款USB总线信号隔离器；

典型型号：

ADUM4160

ADuM4160是ADI公司推出的，全球首款USB隔离器集成单芯片，取代了以往复杂的板级解决方案，可以简化设计，缩短上市的时间，在尺寸和成本都得以减小的同时，功耗和散热性能也都得到了极大的提高，可以满足医疗和工业上苛刻标准的要求。

特性及技术指标：

兼容USB2.0，低速和全速数据速率为1.5Mbps和12Mbps；双向通讯；xD+和xD-线路短路保护功能；3.3V和5V（双模电源配置）工作电压。

图17ADuM4160的内部框图

USB应用电路：

基本应用方案：

隔离式USB集线器

主机外设隔离电路

电缆接口集中隔离电路

8隔离型A/D转换器

16位Σ-Δ型ADC与磁隔离技术的结合。

典型型号：

AD7400、AD7401

AD7400和AD7401分别是16比特10MS/s自计时Σ-Δ转换器和20MS/s外部计时Σ-Δ转换器。

它们包含一个平面绝缘变压器，能够取消在很多交流电机控制和数据采集应用中都要求的电流隔离，将模拟输入信号转换为高速1bit数据流。

AD7400采用5V电源供电，差分输入信号范围为±200mV（满量程±320mV）。

模拟调制器对输入信号连续采样，因而无需外部的采样保持电路。

输入信息包含在数据率为10MHz输出流中，通过适当的数字滤波器重构原始信息。

串行I/O可采用5V或3V电源供电（VDD2）。

图18AD7400内部框图

下电路是新型模拟/模拟调制器。

采用隔离式Σ-Δ型调制器、隔离式DC/DC转换器和有源滤波器。

隔离模拟信号利用一个基于双通道、低噪声、运算放大器AD8646的四阶有源滤波器恢复。

ADuM5000是一款基于隔离式DC/DC转换器，用于为电路的隔离端（包含AD7400A）提供电源，两端完全隔离，系统仅使用一个电源。

该电路具有0.05%的线性度，并能获益于调制器AD7400A和模拟滤波器提供的噪声整形。

此电路应用包括交流电机控制、电流监控、数据采集系统以及各种可替代ADC加光隔离器的隔离系统。

图19新型模拟/模拟调制器

GMR巨磁电阻隔离器：

NVE公司的IL系列和安华高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速数字隔离器件是采用巨磁电阻技术集成的高速CMOS器件。

GMR高速数字隔离器件是采用GMR巨磁电阻技术集成的高速CMOS器件。

巨磁电阻效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。

这种效应只有在纳米尺度的薄膜结构中才能观测出来。

在GMR隔离器中，输入端信号在低电感线圈感应电流，产生正比的磁场。

总的磁场改变GMR的电阻，通过CMOS集成电路分析，输出就是输入信号的精确重生。

图20GMR隔离器内部框图

NVE公司IL系列数字隔离器

NVE公司于1998年推出了基于GMR技术的隔离产品，是全球第一家把GRM技术产业化的供应商。

上图是隔离器的内部设计图。

在GMR磁电隔离器中，由线圈内的电流产生磁场，并通过绝缘势垒扩展磁场，GMR元件传感这个场。

由于线圈电路和传感电路被高介电强度介质隔开，在驱动线圈和传感磁场时，数据（信号）就可以通过这个器件；而且线圈电路和传感电路彼比之间没有直接的连接通道，即它们是弧立的，故可以获得很高的隔离电压。

给GMR磁场敏感元件镀上高导磁率坡莫合金软磁层，既可以减少外部磁场的干扰，又可以使片上线圈电流产生的磁场倍增。

隔离栅为数十微米厚的聚合物或氮化硅高绝缘介电薄膜，可耐压3000~6000V；处在隔离栅上面的螺旋矩形平面线圈，其电流方向相反的两个部分分别正对应电桥的两对角位上的巨磁电阻，线圈产生的磁场透过隔离栅，改变两对角位上的电阻的电阻态，使一个对角位上的两电阻同时为高阻态（低阻态），而另一个对角位上的两电阻同时为低阻态（高阻态）。

GMR在隔离方面具有两个重要的优势。

首先，GMR电阻的巨大变化提供了一个更大的信号。

其次，GMR技术与集成电路技术兼容，允许巨磁阻器件可作为一部分芯片的封装，这将导致更小，更快，更精确的器件。

GMR隔离也有几个明显的缺点：

上电或初始状态时输入与输出可能状态不一致；对输入噪声敏感，伴随一个噪声尖峰，输出不稳定，有可能与输入不一致，也可能一致，还可能会振荡；对较缓的脉冲上升沿，输出可能随输入变化，可能不变，还可能会振荡；输出有过冲；无直流校正功能，无法传输直流信号。

NVE芯片选型：

NVEIL600系列是仅有的一款完全替代光耦的产品，能够工作在电流模式或电压模式，单端信号或差分信号，电压范围广泛。

输出方式有CMOS或漏极开路输出，根据需要可配置成正向或反向数据传输。

IL600系列能做到光耦做到的所有事情，但是其可靠性，信号的高保真性，通道密度使得IL600系列是无论是基本或者是复杂的隔离方案的理想的选择。

更小更可靠 

NVE IL600系列隔离产品内部集成了具有线性GMR传感器和一个数字比较器可编程硬件输入电路。

输入是线圈输入方式，其接口可接到任何的电压源，只要输入部分供给5mA的驱动电流使得逻辑低电平能通过隔离栅。

IL600系列隔离芯片可以设计的比光耦更小，在8-pin MSOP的封装中可以做到2通道或者在一个窄体16-pin SOIC的封装中可以做到3通道。

同时也可以提供晶粒直接安装在板上。

与光耦不同，在GMR传感器中不会有磨损结构。

在寿命测试中，IL600系列隔离产品是0.2的FITs，比最好的光耦的可靠性都要好上100倍。

比较宽的输入电压范围 

设计IL600系列除了通用的逻辑信号，24V，48V或者110V系统都可以监控，并且转移下降到通常的5V和3V逻辑电平等待下一阶段的处理。

利用相同的产品可以使逻辑信号从1.6V开始，或差分信号220mV转移上升到5V和3V逻辑电平。

IL600系列是唯一可替代光耦的产品，允许耦合电压超过5V，或者直接耦合差分电压。

 图示21显示具有漏极开路的IL610A与典型的集电极开路光耦极为相似的结构。

图21光耦结构IL600结构

输入端不需要提供工作电源 

此种与光耦相似度极高的结构使得与其它的光耦替代品相比较时有着许多独特的优势。

首先也是最重要的，输入信号提供了驱动节点所需要的所有的电源。

IL610的输入端不需要电源供给。

将信号从一个电路板传送到另一个电路板的应用中，此系列的产品具有巨大的优势。

线圈输入结构不需要dc/dc转换芯片来提高电源的隔离。

图22显示了一种典型的应用案例， 系统中的一个同步信号线需要连接到系统中的每个板上，但必须与信号源电气隔离。

图22IL610应用案例

差分输入 

IL600系列非常的简单，低成本，只需要单个的IL610隔离RS-422或者RS-485接收端节点，并连接到总线的驱动端。

而且在此接口处不需要的输入电源，所有接收板不需要隔离dc/dc转换器。

光耦隔离不能使用在此线性接收端模式下，因其输入光二级管没有反向极性保护。

IL610线圈输入消除了此问题，同时提供了最高50MHz的频宽，允许IL610能够用作任何形式的工业用差分信号的接口。

图23显示了一个典型的使用在RS-485收发器的隔离接收节点。

同样的应用可以用来作为3.3V或5V差分逻辑信号到单端信号的传输。

这种形式可能需要，或者可能不需要隔离，即使在非隔离应用中，IL610的极小的封装尺寸和具有竞争力的价格使得它对于单个逻辑电平拓展的最好选择。

图23使用在RS-485收发器的隔离接收节点

通道对通道隔离 

多通道器件，例如双通道IL611和三通道IL613具有与单通道IL610共同的优点。

输入通道之间的输入隔离电压是800Vrms。

在工业过程控制领域的应用中起到非常大的作用，比如PLC与多个输入信号间的隔离。

目的是使不同地平面中的信号可以直接连接到信号控制端，而不需要复杂的信号与信号隔离。

IL611和IL613提供800V的通道间隔离，另外还提供2500V的输入输出隔离。

输入线圈结构能够在许多的过程控制应用中代替光耦，包括PLC输入和提供了所有的GMR耦合器件的优点，这些都远远超过了传统光耦所带给人们的方便。

在此应用中，没有其它公司的光耦替代芯片能完全替代光耦的功能。

图24PLC输入通道

CMOS或者漏极开路输出 

IL610A和IL611A能轻松实现错误检测电路。

这些产品具有漏极开路输出，在单个的报警电路中允许多通道之间实现线与结构。

输入不需要电源是通道间隔离的很多优点中的一点，因为来自不同的接地网的多个通道能够在输出端被联到一起，并没有复杂的电源供给隔离，或者3个端口的信号隔离。

图25多通道警报器

异常信号的保真度 

IL600系列产品的动态响应会更好。

因为集成在里面的GMR传感器具有接近于2GHz的带宽，电容和输入保护电阻的使用允许超快的电流尖刺被传输到磁场线圈中。

最终结果是，抖动减少到少于100ps，使得IL600系列更好的应用在高精度的音频中。

图26显示一个典型的隔离CD传输端，在不接地的情况下显著提高音速。

在音频电路中隔离产品应用的目的是减少嗡嗡声和其它由于不确定