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贸泽电子:电感的理论与实践

2019年08月02日 08:53 贸泽电子 作者:Mark Patrick 用户评论(0

在一个由微处理器、ASICMCUGPUDSP驱动的世界中,电感器等无源元件通常被视为有些神秘,许多人认为它们的使用包含一种难以理解的“魔法(black art)”。但是,电感的构造非常简单,通常由围绕金属形体缠绕的简单线圈组成,它们可以在现代电路中执行各种重要功能。因此,设计工程师需要充分了解它们的工作方式,并能够针对特定应用选择正确的电感器。

抵制变化

虽然有些电感器是空芯的,但大多数都使用铁芯,或者更常见的是采用铁氧体,这会增加电感器工作所需的磁场强度。当电流增大时,磁场强度也会增加,当电流变化时,如Michael Faraday的感应定律所述,电感器两端的电压也会发生变化。这种电压被称为“反电动势”,它产生的电流在相反的方向上流动,从而与原始电流相反,这种效应在伦茨定律(Lenz’s law)中得到了详细的阐述。

本质上,电感器会抵制流过电流的任何变化。这是一种非常有用的特性,可在电路中用于平滑电力系统的输出级等信号。电感器在DC/DC转换器中特别有用,其中电感器从“斩波”开关波形中产生平滑的DC输出。电感器通常也用于在RF音频应用中提供模拟滤波,或者它们可以作为简单的抑制器来过滤和抑制通信总线中的EMI等。

了解你的参数

电感器通常用电路符号“L”表示,电感单位是亨利,用符号“H”表示(以19世纪科学家Joseph Henry命名)。一个亨利是指电感器中电流以每秒1A的速率变化时,感应产生1V的反电动势所需的电感量。实际上,亨利非常大,因此电感值通常在毫亨(mH)到纳亨(nH)的范围内。

电感器的滤波响应会随频率而变化。每个电感器都有一个自谐振频率(SRF),它是电感器具有最明显滤波效果时的频率。高于此频率,电感器开始表现得更像电容器,从而其滤波效果回降低。因此有必要选择高于系统工作频率的自谐振频率。

由于电感器是用导线弯绕形成,因此具有特定的直流电阻(DCR),其阻值会随着导线变细和导线变长而变大,这意味着DCR通常与电感值成大概的正比例。DCR会导致系统产生损耗,其大小与通过电感器的电流的平方直接相关,可能导致电感器在工作期间变热,而这些是不希望产生的,尤其是在高功率密度的电源应用中,其中消散产生的多余热量是一个巨大挑战。

与DCR电阻密切相关的是额定电流,通常定义为标称电感下降到特定百分比,或电感器核心内部出现特定温度升高时的电流。虽然两者都是有效的测量标准,但是对于电感或温度变化值没有普遍接受的行业标准,因而要比较来自不同制造商的电感器具有很大挑战性。

要记住的最后一个参数是“Q因子”,或者使用其全名“质量因子”。在数学上,这是在给定频率下电感与电阻的比值,许多人将其视为电感器效率的度量。Q因子的值越高,该特定电感器越接近理论上完美的电感器。

电感器的物理格式也是一个考虑因素。虽然许多电感器为表面贴装型,可用作自动装配机,但较大类型电感器(例如电源应用中使用的类型)可能仍然具有引线,需要额外的生产步骤。一些电感器包括屏蔽(能够防止影响其他区域电路的电噪声),这种格式下,由于所有磁通量都保留在电感器内,因此它们也效率更高(具有更高的Q因子)。

电感器的实际应用

尽管大多数电感器基本上是围绕铁氧体磁芯绕线,但是如果采用不同的材料、导线类型、形状因数和机械结构,会导致非常不同的性能,使得每种电感器都能够有最适合的应用。例如,RF电感器用于需要无线通信的系统,并且通常被设计成保持最高水平的信号完整性。许多RF电感器与通用电感器的不同之处在于它们倾向于使用非导电塑料线圈架(coil former)。为了实现RF应用所需的性能,电感容差通常很小(±5%),并且其构造方法需要确保绕组间距沿电感器的长度方向恒定。一种最新型固定射频电感器是Coilcraft的132 系列。

电感的理论与实践

图1:Coilcraft的132系列RF电感器示例。

在一些RF应用中,电感器用于调谐电路,因而必须是可调节的,这是通过将铝螺钉插入可调节的线圈来实现,原因是线圈和螺钉之间的重叠会发生变化。这些类型的电感器可以是非屏蔽的,但通常也可以采用金属屏蔽罩,例如Coilcraft的164和165系列。

如今,由于电子设备通常需要满足某些监管机构的认证要求,以确保它们不会干扰RF频谱,或受到来自其他设备的RF能量影响,因而电磁干扰(EMI)对于大多数设计工程师来说都是一个现实问题。在最简单的层面,这些应用的电感器可以是带有单匝线圈的铁氧体磁珠,也可以是可以夹在PCB走线周围的两部分铁氧体磁珠。有专为EMI滤波设计的电感器,这些电感器通常是小型表面贴装元件,可工作于它们的目标频率范围内。现代电子设备需要高速通信,1206系列 共模扼流圈等电感器元件经过专门优化,可用于高速USB信号线路。

许多数据通信应用需要进行多条线路的滤波,因此为了节省PCB空间,一些制造商能够在一个方便的封装中提供多个电感器。CCDLF系列在单个表面贴装封装中能够提供多达10个绕组,尺寸仅为9.14mm x 9.14mm。

电感的理论与实践

图2:Coilcraft 的CCDLF系列。

电源是电感器的一个主要应用领域,在电源领域中有许多特定应用,以及需要使用电感器的更通用的滤波应用。某些功率电感器(如DO1608C系列)针对笔记本电脑和手机等现代大批量消费产品进行了优化,能够提供令人信服的低直流电阻,可减少损耗并抑制产生的热量,同时支持处理纹波电流所需的高能量存储。它们能够在较宽的温度范围(-40℃~+85℃)内运行,并经过AEC-Q200 3级认证,可用于汽车内部电路。

对于更高功率应用,SER80xx系列 能够提供0.50至10μH的电感,并采用紧凑型8.80mm x 8.80mm表面贴装封装,这些元件的额定电流可超过20A,这意味着它们适用于降压转换器中的升压电感器。Coilcraft数据手册可方便地针对标称电感降低10%、20%和30%,以及20℃和40℃的温升指定饱和电流(ISAT),使其更容易地与其他制造商的产品进行比较。

虽然理论计算可以得到电感器的近似值,但最终值通常是在构建原型,替换元件值之后得出,直到达到最佳性能。为了简化这项任务,贸泽电子可提供许多关于电感器设计套件,其中包含具备多个电感值的元件,因此原型可以得到快速调试,这是对任何原型实验室的一种非常有价值的补充。

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( 发表人:黄飞燕 )

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