[电路]电感的参数_种类_应用

电感的参数_种类_应用

  • 电感是开关电源中必不可少的器件之一,涉及到磁的理论知识;AC/DC用到的电感有:EMI滤波电感,PFC电感、输出滤波电感、反激变压器(实为耦合电感);板上DC/DC用到的电感多为EMI滤波电感、BUCK输出电感、Boost输入电感等;

电感的性能参数

电感的基本原理

  • 电感的功能就是以磁场能的形式储存电能量。以圆柱型线圈为例,简单介绍下电感的基本原理,
  • 如上图所示,当恒定电流流过线圈时,根据右手螺旋定则,会形成一个图示方向的静磁场。而电感中流过交变电流,产生的磁场就是交变磁场,变化的磁场产生电场,线圈上就有感应电动势,产生感应电流:
  • 电流变大时,磁场变强,磁场变化的方向与原磁场方向相同,根据楞次定律,产生的感应电流与原电流方向相反,电感电流减小;
  • 电流变小时,磁场变弱,磁场变化的方向与原磁场方向相反,根据楞次定律,产生的感应电流与原电流方向相同,电感电流变大。
  • 最终效果就是电感会阻碍流过的电流产生变化,就是电感对交变电流呈高阻抗。同样的电感,电流变化率越高,产生的感应电流越大,那么电感呈现的阻抗就越高;如果同样的电流变化率,不同的电感,如果产生的感应电流越大,那么电感呈现的阻抗就越高。
  • 所以,电感的阻抗于两个因素有关:一是频率;二是电感的固有属性,也就电感的值,也称为电感。根据理论推导,圆柱形线圈的电感公式如下:

电感的等效模型

  • 对于实际的电感而言,实际电感的特性不仅仅有电感的作用,还有其他因素,如:绕制线圈的导线不是理想导体,存在一定的电阻;电感的磁芯存在一定的热损耗;电感内部的导体之间存在着分布电容。
  • 因此,需要用一个较为复杂的模型来表示实际电感,常用的等效模型如下:

自谐振频率

  • 自谐振频率(Self-Resonance Frequency):由于Cp的存在,与L一起构成了一个谐振电路,其谐振频率便是电感的自谐振频率。在自谐振频率前,电感的阻抗随着频率增加而变大;在自谐振频率后,电感的阻抗随着频率增加而变小,就呈现容性。

品质因素

-品质因素(Quality Factor):也就是电感的Q值,电感储存功率与损耗功率的比,Q值越高,电感的损耗越低,和电感的直流阻抗直接相关的参数。自谐振频率和Q值是高频电感的关键参数.

Q=ωLrQ=\frac{\omega L}{r}

ω\omega:角频率;L:电感值;r:等效电阻

电感尺寸

  • 电感尺寸长*宽*高:正比于LI2L*I^2

LI2=LII=NBAeHIe/N=BBAeIe/UL*I^2=L_I*I=N*B*Ae*H*I_e/N=B*B*Ae*I_e/U

  • 如何减小尺寸:
  1. 高频--电感量小
  2. 多相--L(I22)+L(I22)=0.5LI2L({\frac{I}{2}}^2)+L({\frac{I}{2}}^2)=0.5L*I^2

额定电流(温升电流)

  • 当电感有电流通过的时候,由于损耗的存在,电感发热而产生温升,电流越大,温升越大;在额定的温度范围内,允许的最大电流即为温升电流。
  • 额定电流(温升电流)通常指线圈温升40℃得到的直流电流值,该电流值和封装成正比,和DCR成反比
  • 温升电流是对电感热效应的评估,根据焦耳定律,热效应需要考虑一段时间内的电流对时间的积分;选择电感时,设计RMS电流不能超过电感温升电流。

电感量

  • 电感量是衡量电流产生磁通能力的一个参数,通常有20%的误差
  • 引入磁阻的概念:

Rm=Ie/(U0UrAe)L=N2U0UrAe/IeR_m=I_e/(U_0*U_r*Ae)*L=N^2*U_0*U_r*Ae/I_e

Lg=N2U0Ae/IG()L_g=N^2*U_0*Ae/I_G(铁氧体磁芯开气隙电感量)

  • 对于DCDC芯片所使用的电感而言,电感值越大,纹波越小,但尺寸会变大;通常提高开关频率,可以使用小电感,但开关频率提高会增加系统损耗,降低效率

饱和电流

  • 增加磁芯的磁导率,可以提高电感值,通常使用铁磁性材料做磁芯。铁磁性材料存在磁饱和现象,即当磁场强度超过一定值时,磁感应强度不在增加,即磁导率下降了,也就是电感下降了。在额定电感值范围内,允许的最大电流即为饱和电流。
  • 饱和电流通常是额定电流的1.3-1.5倍;饱和电流是指在该电流下电感量下降了额定值的30%;
  • 为了保证在设计范围内电感值稳定,设计峰值电流不能超过电感的饱和电流。为了提高可靠性,降额设计是必须的,通常建议工作值应降额到不高于额定值的80%

直流阻抗(DCR)

  • 直流阻抗(DCR)就是指电感线圈的阻抗,规格书是25℃的测量值,该阻抗是正温度系数。

电感的种类

-电感根据工艺结构的差别,大体可分为三类

绕线电感(Wire Wound Type)

  • 绕线电感(Wire Wound Type),顾名思义就是把铜线绕在一个磁芯上形成一个线圈,绕线的方式有两种:圆柱形绕法(Round Wound)和平面形绕法(Flat Wound)
  • 其采用的磁芯可以是:
  1. 非磁性材料:例如空气芯、陶瓷芯,貌似就不能叫磁芯了;这样电感值较小,但是基本不存在饱和电流
  2. 铁磁性材料:例如铁氧体、波莫合金等等;合金磁导率比铁氧体大;铁磁性材料存在磁饱和现象,有饱和电流。
  • 绕线电感可提供大电流、高感值;磁芯磁导率越大,同样的感值,绕线就少,绕线少就能降低直流电阻;同样的尺寸,绕线少可以绕粗,提高电流。

多层片状电感(Multilayer Type)

  • 多层片状电感(Multilayer Type)的制作工艺:将铁氧体或陶瓷浆料干燥成型,交替印刷导电浆料,最后叠层、烧结成一体化结构(Monolithic)。
  • 多层片状电感的比绕线电感尺寸小,标准化封装,适合自动化高密度贴装;一体化结构,可靠性高,耐热性好。

薄膜电感(Thin Film Type)

  • 薄膜电感采用的是类似于IC制作的工艺,在基底上镀一层导体膜,然后采用光刻工艺形成线圈,最后增加介质层、绝缘层、电极层,封装成型。
  • 薄膜器件的制作工艺,如下图所示:

  • 光刻工艺的精度很高,制作出来的线条更窄、边缘更清晰。因此,薄膜电感具有:更小的尺寸,008004封装;更小的Value Step,0.1nH;更小的容差,0.05nH;更好的频率稳定性

电感的应用

功率电感

  • 功率电感通常用于DCDC电路中,通过积累并释放能量来保持连续的电流。功率电感大都是绕线电感,可以提高大电流、高电感。
  • 多层片状功率电感也越来越多,通常电感值和电流都较低,优点是成本较低、体积超小,在手机等空间限制较大的产品中有较多应用。
  • 功率电感需要根据所选的DCDC芯片来选型。通常,DCDC芯片的规格书上都有推荐的电感值,以及相关参数的计算,这里不再赘述。

去耦电感

  • 去耦电感也叫Choke,教科书上通常翻译成扼流圈。去耦电感的作用是滤除线路上的干扰,属于EMC器件,EMC工程师主要用来解决产品的辐射发射(RE)和传导发射(CE)的测试问题。去耦电感,通常结构比较简单,大都是铜丝直接绕在铁氧体环上。可以分为差模电感和共模电感。
    ###差模电感
  • 差模电感就是普通的绕线电感,用于滤除一些差模干扰,主要就是与电容一起构成LC滤波器,减小电源噪声。
  • 选择差模电感需要注意一下几点:
  1. 直流电阻、额定电压和电流,要满足工作要求;
  2. 结构尺寸满足产品要求;
  3. 通过测试确定噪声的频段,根据电感的阻抗曲线选择电感;
  4. 设计LC滤波器,可以做简单的计算和仿真。

共模电感

  • 共模电感就是在同一个铁氧体环上绕制两个匝数相同、绕向相反的线圈。
  • 当有共模成分流过共模电感时,根据右手定则,会在两个线圈形成方向相同的磁场,相互加强,相当于对共模信号存在较高的感抗;当有差模成分流过共模电感时,根据右手定则,会在两个线圈形成方向相反的磁场,相互抵消,相当于对差模信号存在较低的感抗。
  • 换一个方式理解:当V+上流过一个频率的共模干扰,形成的交变磁场,会在另一个线圈上形成一个感应电流,根据左手定则,感应电流的方向与V-上共模干扰的方向相反,就抵消了一部分,减小了共模干扰。
  • 共模电感主要用于双线或者差分系统,如220V市电、CAN总线、USB信号、HDMI信号等等。用于滤除共模干扰,同时有用的差分信号衰减较小。
  • 共模电感选型需要注意一下几点:
  1. 直流阻抗要低,不能对电压或有用信号产生较大影响;
  2. 用于电源线的话,要考虑额定电压和电流,满足工作要求;
  3. 通过测试确定共模干扰的频段,在该频段内共模阻抗应该较高;、
  4. 差模阻抗要小,不能对差分信号的质量产生较大影响;
  5. 考虑封装尺寸,做兼容性设计。例如用于USB信号的共模电感,选择封装可以与两个0402的电阻做兼容,不需要共模电感时,可以直接焊0402电阻,降低成本。

高频电感

  • 高频电感主要应用于手机、无线路由器等产品的射频电路中,从100MHz到6GHz都有应用。高频电感在射频电路中主要有以下几种作用:
  1. 匹配(Matching):与电容一起组成匹配网络,消除器件与传输线之间的阻抗失配,减小反射和损耗;
  2. 滤波(Filter):与电容一起组成LC滤波器,滤出一些不想要的频率成分,防止干扰器件工作;
  3. 隔离交流(Choke):在PA等有源射频电路中,将射频信号与直流偏置和直流电源隔离;
  4. 谐振(Resonance):与电容一起构成LC振荡电路,作为VCO的振荡源;
  5. 巴仑(Balun):即平衡不平衡转换,与电容一起构成LC巴仑,实现单端射频信号与差分信号之间的转换。
  • 选择高频电感时,除了需要确定电感值、额定电流、工作温度、封装尺寸外,还要关注自谐振频率、Q值、电感值容差、电感值频率稳定性。
  • 之前介绍的三种结构,都可以用来制作高频电感,下面介绍下他们的特点:

多层型

  • 多层型通过烧结,形成一个整体结构,或叫独石型(Monolithic)

  • 多层片状电感的,相比于其他两种就是Q值最低,最大的优势就是成本低,性价比高,适合于大多数没有特殊要求的应用。TDK和Taiyo Yuden的高频电感都只有多层型,没有绕线型和薄膜型。TDK的MLK系列、Murata的LQG系列、Taiyo Yuden的HK系列,这三个系列的产品基本一样,最便宜,性价比高。

  • 当然随着工艺技术的提升,现在也有高Q值系列的多层片状电感,例如TDK的MHQ系列、太阳诱电的HKQ系列。

  • TDK的多层电感做的更好更全,还有一个MLG系列,有0402封装,感值可以做0.3nH,Value Step 0.1nH,容差0.1nH,接近薄膜电感的性能,价格还便宜。

绕线型

  • 随着现在的工艺水平已经越来越高,绕线电感也可以做到0402封装。
  • 绕线型工艺,其导线可以做到比多层和薄膜结构粗,因此可以获得极低的直流电阻。也意味着极高的Q值,同时可以支持较大的电流。将无磁性的陶瓷芯换成铁氧体磁芯,可以得到较高的感值,可以应用与中频。
  • Murata的LQW系列可以做到03015封装,最小感值1.1nH;Coilcraft的0201DS系列,可以做到0201封装,号称世界上最小的绕线电感。

薄膜型

  • 采用光刻工艺,工艺精度极高,因此电感值可以做到很小,尺寸也可以做到很小,精度高,感值稳定,Q值较高。
  • Murata的LQP系列,可以做到01005封装,高精度产品的容差可以做到0.05nH,最小感值可以到0.1nH,这三个参数值可以说是当前电感的极限了。其他,像Abracon的ATFC-0201HQ系列也可以做到最小0.1nH。
  • Murata有三种工艺的高频电感,选择了同感值(1.5nH)、同封装、同容差的电感对比。
  • 可以看出绕线型的Q值明显高于其他两种,而薄膜型的电感值的频率稳定性高于其他两种。当然,多层型的成本明显低于其他两种。

厂商与选型软件

厂商

  • 电容,从工艺技术上,领先的基本上是三大日系厂商:TDK、Murata、Taiyo Yuden。这三家的产品线完整,基本上可以满足大多数需求。

选型软件


参考:
谈谈电感
和电源大咖一起夯基础(第二部分)