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电感选型技巧大全2023-11-27 22:35:32

  足球巴巴如上图所示,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,根据左手螺旋定则,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,根据左手螺旋定则,产生的感应电流与原电流方向相同,电感电流变大。

  以上就是楞次定律,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:

  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。

  平面形绕法优点很明显,就是减小了器件的高度。由前文的公式可知,磁芯的磁导率越大,电感值越大,磁芯可以是

  ·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

  ·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。

  另外,电源设计中,经常遇到电感啸叫的问题,本质就是磁场的变化引起了导体,也就是线圈的振动,振动的频率刚好在音频范围内,人耳就可以听见,合金一体成型电感,比较牢固,可以减少振动。

  多层片状电感的制作工艺: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。

  电感,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。

  个人感觉TDK和Murata更领先一点,从官网的质量看出来的,像Coilcraft的官网就low一点,毕竟网站也是需要投资的。

  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。从电感本身的角度来说明如何选型。

  通常应使用DCDC芯片规格书推荐的电感值;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;

  功率电感一般有两个额定电流,即温升电流和饱和电流;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。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。

  通常对DCDC电路设计,要计算峰值(PEAK)电流和均方根(RMS)电流,通常规格书中会给出计算公式。

  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。

  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%。当然降额幅度过大会大幅提高成本,需要综合考虑。

  电感的直流电阻会产生热损耗,导致温升,降低DCDC效率;因此,当对效率敏感时,应选择直流阻抗低的电感,例如15毫欧。

  还有就是根据产品的应用温度要求、是否需要满足RoHS、汽车级Q200等标准的要求、还有PCB结构限制。

  大电流的应用,电感的漏磁就会相当可观,会对周围电路,例如CPU等造成影响。我之前就遇到过X86的CORE电的电感漏磁造成CPU无法启动的现象。因此,大电流应用,应选择屏蔽性能好的电感并且Layout时注意避开关键信号。

  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。个人觉得可以分为差模电感和共模电感。这里不再赘述共模和差模的概念。买元器件现货上唯样商城!

  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。

  磁珠(Ferrite Bead),也常用来滤除主板上的低压直流电源的噪声,但磁珠与去耦电感有区别的。 磁珠是铁氧体材料烧制而成,高频时铁氧体的磁损耗(等效电阻)变得很大,高频噪声被转化成热能耗散了;

  ·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。

  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。

  如果共模干扰频率在10MHz左右,滤波效果很好,但如果是100kHz,可能就没什么效果。如果差分信号速率较高,100M以上,可能就会影响信号质量。

  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:

  ·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;

  ·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,防止件工作;

  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。

  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。

  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。

  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。

  电感值通常需要根据仿真、实际调试或者参考设计来确定。大多数情况,多层片状高频电感已能满足要求,一些特殊场合可能需要关注:

  ·大功率射频设备,PA偏置电流较大,需要选择绕线型以满足电流要求;同时大功率设备温升较高,需要考虑工作温度;

  引自Why is there a direction mark on inductors?