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太實用！史上最生動的電感選取技巧！

時間：2020-07-02 12:12:39
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[導(dǎo)讀]器件選型是硬件工程師的基本工作，本文主要從電感的工藝和應(yīng)用出發(fā)，介紹電感如何選型。 0 1 電感的基本原理 電感，和電容、電阻一起，是電子學(xué)三大基本無源器件；電感的功能就是以磁場能的形式儲存電能量 。 以圓柱型線圈為例，簡單介紹下電感的基本原理 如


器件選型是硬件工程師的基本工作，本文主要從電感的工藝和應(yīng)用出發(fā)，介紹電感如何選型。


0 1
電感的基本原理

電感，和電容、電阻一起，是電子學(xué)三大基本無源器件；電感的功能就是以磁場能的形式儲存電能量 。


以圓柱型線圈為例，簡單介紹下電感的基本原理

如上圖所示，當(dāng)恒定電流流過線圈時，根據(jù)右手螺旋定則，會形成一個圖示方向的靜磁場。而電感中流過交變電流，產(chǎn)生的磁場就是交變磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，線圈上就有感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生感應(yīng)電流：

  • 電流變大時，磁場變強(qiáng)，磁場變化的方向與原磁場方向相同，根據(jù)左手螺旋定則，產(chǎn)生的感應(yīng)電流與原電流方向相反，電感電流減??；

  • 電流變小時，磁場變?nèi)?，磁場變化的方向與原磁場方向相反，根據(jù)左手螺旋定則，產(chǎn)生的感應(yīng)電流與原電流方向相同，電感電流變大。

以上就是楞次定律，最終效果就是電感會阻礙流過的電流產(chǎn)生變化，就是電感對交變電流呈高阻抗。同樣的電感，電流變化率越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大，那么電感呈現(xiàn)的阻抗就越高；如果同樣的電流變化率，不同的電感，如果產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大，那么電感呈現(xiàn)的阻抗就越高。

所以，電感的阻抗于兩個因素有關(guān)：一是頻率；二是電感的固有屬性，也就電感的值，也稱為電感。根據(jù)理論推導(dǎo)，圓柱形線圈的電感公式如下：


可以看出電感的大小與線圈的大小及內(nèi)芯的材料有關(guān)。

實際電感的特性不僅僅有電感的作用，還有其他因素，如：

  • 繞制線圈的導(dǎo)線不是理想導(dǎo)體，存在一定的電阻；

  • 電感的磁芯存在一定的熱損耗；

  • 電感內(nèi)部的導(dǎo)體之間存在著分布電容。

因此，需要用一個較為復(fù)雜的模型來表示實際電感，常用的等效模型如下：


等效模型形式可能不同，但要能體現(xiàn)損耗和分布電容。根據(jù)等效模型，可以定義實際電感的兩個重要參數(shù)：

  自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)
由于Cp的存在，與L一起構(gòu)成了一個諧振電路，其諧振頻率便是電感的自諧振頻率。在自諧振頻率前，電感的阻抗隨著頻率增加而變大；在自諧振頻率后，電感的阻抗隨著頻率增加而變小，就呈現(xiàn)容性。

  品質(zhì)因素(Quality Factor)


也就是電感的Q值，電感儲存功率與損耗功率的比，Q值越高，電感的損耗越低，和電感的直流阻抗直接相關(guān)的參數(shù)。自諧振頻率和Q值是高頻電感的關(guān)鍵參數(shù)。

0 2
電感的工藝結(jié)構(gòu)

電感的工藝大致可以分為3種：

2.1  繞線電感(Wire Wound Type)

顧名思義就是把銅線繞在一個磁芯上形成一個線圈，繞線的方式有兩種：
  圓柱形繞法(Round Wound)
圓柱形繞法很常見，應(yīng)用也很廣，例如：

圖片來自Bing，彩虹圈，應(yīng)該是出彩中國人

  平面形繞法(Flat Wound)
平面形繞法也很常見，大家一定見過一掰就斷的蚊香

圖片來自Bing，蚊香

平面形繞法優(yōu)點很明顯，就是減小了器件的高度。
由前文的公式可知，磁芯的磁導(dǎo)率越大，電感值越大，磁芯可以是

  • 非磁性材料：例如空氣芯、陶瓷芯，貌似就不能叫磁芯了；這樣電感值較小，但是基本不存在飽和電流

  • 鐵磁性材料：例如鐵氧體、波莫合金等等；合金磁導(dǎo)率比鐵氧體大；鐵磁性材料存在磁飽和現(xiàn)象，有飽和電流。

繞線電感可提供大電流、高感值；磁芯磁導(dǎo)率越大，同樣的感值，繞線就少，繞線少就能降低直流電阻；同樣的尺寸，繞線少可以繞粗，提高電流。

另外，電源設(shè)計中，經(jīng)常遇到電感嘯叫的問題，本質(zhì)就是磁場的變化引起了導(dǎo)體，也就是線圈的振動，振動的頻率剛好在音頻范圍內(nèi)，人耳就可以聽見，合金一體成型電感，比較牢固，可以減少振動。

2.2  多層片狀電感(Multilayer Type)

多層片狀電感的制作工藝：將鐵氧體或陶瓷漿料干燥成型，交替印刷導(dǎo)電漿料，最后疊層、燒結(jié)成一體化結(jié)構(gòu)(Monolithic)。

引自The Wonders of Electromagnetism

多層片狀電感的比繞線電感尺寸小，標(biāo)準(zhǔn)化封裝，適合自動化高密度貼裝；一體化結(jié)構(gòu)，可靠性高，耐熱性好。

2.3  薄膜電感(Thin Film Type)

薄膜電感采用的是類似于IC制作的工藝，在基底上鍍一層導(dǎo)體膜，然后采用光刻工藝形成線圈，最后增加介質(zhì)層、絕緣層、電極層，封裝成型。

薄膜器件的制作工藝，如下圖所示



光刻工藝的精度很高，制作出來的線條更窄、邊緣更清晰。因此，薄膜電感具有

  • 更小的尺寸，008004封裝

  • 更小的Value Step，0.1nH

  • 更小的容差，0.05nH

  • 更好的頻率穩(wěn)定性


0 3
電感的應(yīng)用及選型

電感，從工藝技術(shù)上，領(lǐng)先的基本上是三大日系廠商： TDK、Murata、Taiyo Yuden。 這三家的產(chǎn)品線完整，基本上可以滿足大多數(shù)需求。

三家都有相應(yīng)的選型軟件，有電感、電容等所有系列的產(chǎn)品及相關(guān)參數(shù)曲線。

  • SEAT 2013 - TDK

  • Simsurfing - Murata

  • Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library

個人感覺TDK和Murata更領(lǐng)先一點，從官網(wǎng)的質(zhì)量看出來的，像Coilcraft的官網(wǎng)就low一點，畢竟網(wǎng)站也是需要投資的。
在電路設(shè)計中，電感主要有三大類應(yīng)用：

  • 功率電感：主要用于電壓轉(zhuǎn)換，常用的DCDC電路都要使用功率電感；

  • 去耦電感：主要用于濾除電源線或信號線上的噪聲，EMC工程師應(yīng)該熟悉；

  • 高頻電感：主要用于射頻電路，實現(xiàn)偏置、匹配、濾波等電路。

3.1  功率電感

功率電感通常用于DCDC電路中，通過積累并釋放能量來保持連續(xù)的電流。

功率電感大都是繞線電感，可以提高大電流、高電感；

圖出自Murata Chip Inductor Catalog

多層片狀功率電感也越來越多，通常電感值和電流都較低，優(yōu)點是成本較低、體積超小，在手機(jī)等空間限制較大的產(chǎn)品中有較多應(yīng)用。


圖出自Murata Chip Inductor Catalog

功率電感需要根據(jù)所選的DCDC芯片來選型。通常，DCDC芯片的規(guī)格書上都有推薦的電感值，以及相關(guān)參數(shù)的計算，這里不再贅述。從電感本身的角度來說明如何選型。

上圖截圖至TY-COMPAS

  電感值
通常應(yīng)使用DCDC芯片規(guī)格書推薦的電感值；電感值越大，紋波越小，但尺寸會變大；通常提高開關(guān)頻率，可以使用小電感，但開關(guān)頻率提高會增加系統(tǒng)損耗，降低效率；

  額定電流
功率電感一般有兩個額定電流，即溫升電流和飽和電流；
當(dāng)電感有電流通過的時候，由于損耗的存在，電感發(fā)熱而產(chǎn)生溫升，電流越大，溫升越大；在額定的溫度范圍內(nèi)，允許的最大電流即為溫升電流。

增加磁芯的磁導(dǎo)率，可以提高電感值，通常使用鐵磁性材料做磁芯。鐵磁性材料存在磁飽和現(xiàn)象，即當(dāng)磁場強(qiáng)度超過一定值時，磁感應(yīng)強(qiáng)度不在增加，即磁導(dǎo)率下降了，也就是電感下降了。在額定電感值范圍內(nèi)，允許的最大電流即為飽和電流。


磁滯回線：磁性材料-------鐵氧磁體,比重計，多孔性材料密度儀，液體密度計，固體顆粒體積測試儀，磁性材料密度儀。

通常對DCDC電路設(shè)計，要計算峰值（PEAK）電流和均方根（RMS）電流，通常規(guī)格書中會給出計算公式。

溫升電流是對電感熱效應(yīng)的評估，根據(jù)焦耳定律，熱效應(yīng)需要考慮一段時間內(nèi)的電流對時間的積分；選擇電感時，設(shè)計RMS電流不能超過電感溫升電流。

為了保證在設(shè)計范圍內(nèi)電感值穩(wěn)定，設(shè)計峰值電流不能超過電感的飽和電流。

為了提高可靠性，降額設(shè)計是必須的，通常建議工作值應(yīng)降額到不高于額定值的80%。當(dāng)然降額幅度過大會大幅提高成本，需要綜合考慮。

  直流電阻
電感的直流電阻會產(chǎn)生熱損耗，導(dǎo)致溫升，降低DCDC效率；因此，當(dāng)對效率敏感時，應(yīng)選擇直流阻抗低的電感，例如15毫歐。

還有就是根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用溫度要求、是否需要滿足RoHS、汽車級Q200等標(biāo)準(zhǔn)的要求、還有PCB結(jié)構(gòu)限制。

大電流的應(yīng)用，電感的漏磁就會相當(dāng)可觀，會對周圍電路，例如CPU等造成影響。我之前就遇到過X86的CORE電的電感漏磁造成CPU無法啟動的現(xiàn)象。因此，大電流應(yīng)用，應(yīng)選擇屏蔽性能好的電感并且Layout時注意避開關(guān)鍵信號。

3.2  去耦電感
去耦電感也叫Choke，教科書上通常翻譯成扼流圈。去耦電感的作用是濾除線路上的干擾，屬于EMC器件，EMC工程師主要用來解決產(chǎn)品的輻射發(fā)射(RE)和傳導(dǎo)發(fā)射(CE)的測試問題。

去耦電感，通常結(jié)構(gòu)比較簡單，大都是銅絲直接繞在鐵氧體環(huán)上。個人覺得可以分為差模電感和共模電感。這里不再贅述共模和差模的概念。
差模電感

差模電感就是普通的繞線電感，用于濾除一些差模干擾，主要就是與電容一起構(gòu)成LC濾波器，減小電源噪聲。


對于220V市電，差模干擾就是L相到N相之間的干擾；對POE來說，就是POE+和POE-之間的干擾；對于主板上的低壓直流電源，其實就是電源噪聲。

差模電感選型需要注意一下幾點：

  • 直流電阻、額定電壓和電流，要滿足工作要求；

  • 結(jié)構(gòu)尺寸滿足產(chǎn)品要求；

  • 通過測試確定噪聲的頻段，根據(jù)電感的阻抗曲線選擇電感；

  • 設(shè)計LC濾波器，可以做簡單的計算和仿真。

磁珠(Ferrite Bead)，也常用來濾除主板上的低壓直流電源的噪聲，但磁珠與去耦電感有區(qū)別的。

  • 磁珠是鐵氧體材料燒制而成，高頻時鐵氧體的磁損耗(等效電阻)變得很大，高頻噪聲被轉(zhuǎn)化成熱能耗散了；

  • 去耦電感是線圈和磁芯組成，主要是線圈電感起作用；

  • 磁珠只能濾除較高頻的噪聲，低頻不起作用；

  • 去耦電感可以繞制成較高感值，濾除低頻噪聲。

  磁珠等效電路模型


  共模電感  
共模電感就是在同一個鐵氧體環(huán)上繞制兩個匝數(shù)相同、繞向相反的線圈。


如上圖所示的共模電感：
  • 當(dāng)有共模成分流過共模電感時，根據(jù)右手定則，會在兩個線圈形成方向相同的磁場，相互加強(qiáng)，相當(dāng)于對共模信號存在較高的感抗；
  • 當(dāng)有差模成分流過共模電感時，根據(jù)右手定則，會在兩個線圈形成方向相反的磁場，相互抵消，相當(dāng)于對差模信號存在較低的感抗。
換一個方式理解：當(dāng)V+上流過一個頻率的共模干擾，形成的交變磁場，會在另一個線圈上形成一個感應(yīng)電流，根據(jù)左手定則，感應(yīng)電流的方向與V-上共模干擾的方向相反，就抵消了一部分，減小了共模干擾。

共模電感主要用于雙線或者差分系統(tǒng)，如220V市電、CAN總線、USB信號、HDMI信號等等。用于濾除共模干擾，同時有用的差分信號衰減較小。

共模電感選型需要注意一下幾點：
  • 直流阻抗要低，不能對電壓或有用信號產(chǎn)生較大影響；
  • 用于電源線的話，要考慮額定電壓和電流，滿足工作要求；
  • 通過測試確定共模干擾的頻段，在該頻段內(nèi)共模阻抗應(yīng)該較高；
  • 差模阻抗要小，不能對差分信號的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響；
  • 考慮封裝尺寸，做兼容性設(shè)計。例如用于USB信號的共模電感，選擇封裝可以與兩個0402的電阻做兼容，不需要共模電感時，可以直接焊0402電阻，降低成本。
下圖是某共模電感的共模阻抗和差模阻抗。


如果共模干擾頻率在10MHz左右，濾波效果很好，但如果是100kHz，可能就沒什么效果。如果差分信號速率較高，100M以上，可能就會影響信號質(zhì)量。

3.3  高頻電感

高頻電感主要應(yīng)用于手機(jī)、無線路由器等產(chǎn)品的射頻電路中，從100MHz到6GHz都有應(yīng)用。

高頻電感在射頻電路中主要有以下幾種作用：
  • 匹配(Matching)：與電容一起組成匹配網(wǎng)絡(luò)，消除器件與傳輸線之間的阻抗失配，減小反射和損耗；
  • 濾波(Filter)：與電容一起組成LC濾波器，濾出一些不想要的頻率成分，防止干擾器件工作；
  • 隔離交流(Choke)：在PA等有源射頻電路中，將射頻信號與直流偏置和直流電源隔離；
  • 諧振(Resonance)：與電容一起構(gòu)成LC振蕩電路，作為VCO的振蕩源；
  • 巴侖(Balun)：即平衡不平衡轉(zhuǎn)換，與電容一起構(gòu)成LC巴侖，實現(xiàn)單端射頻信號與差分信號之間的轉(zhuǎn)換。
之前介紹的三種結(jié)構(gòu)，都可以用來制作高頻電感，下面介紹下他們的特點：

  多層型
多層型通過燒結(jié)，形成一個整體結(jié)構(gòu)，或叫獨石型(Monolithic)

圖出自Murata Chip Inductor Catalog

多層片狀電感的，相比于其他兩種就是Q值最低，最大的優(yōu)勢就是成本低，性價比高，適合于大多數(shù)沒有特殊要求的應(yīng)用。TDK和Taiyo Yuden的高頻電感都只有多層型，沒有繞線型和薄膜型。

TDK的MLK系列、Murata的LQG系列、Taiyo Yuden的HK系列，這三個系列的產(chǎn)品基本一樣，最便宜，性價比高。

當(dāng)然隨著工藝技術(shù)的提升，現(xiàn)在也有高Q值系列的多層片狀電感，例如TDK的MHQ系列、太陽誘電的HKQ系列。

TDK的多層電感做的更好更全，還有一個MLG系列，有0402封裝，感值可以做0.3nH，Value Step 0.1nH，容差0.1nH，接近薄膜電感的性能，價格還便宜。

  繞線型
現(xiàn)在的工藝水平已經(jīng)越來越高，繞線電感也可以做到0402封裝。

圖出自Murata Chip Inductor Catalog

繞線型工藝，其導(dǎo)線可以做到比多層和薄膜結(jié)構(gòu)粗，因此可以獲得極低的直流電阻。也意味著極高的Q值，同時可以支持較大的電流。將無磁性的陶瓷芯換成鐵氧體磁芯，可以得到較高的感值，可以應(yīng)用與中頻。

Murata的LQW系列可以做到03015封裝，最小感值1.1nH；Coilcraft的0201DS系列，可以做到0201封裝，號稱世界上最小的繞線電感。

  薄膜型
采用光刻工藝，工藝精度極高，因此電感值可以做到很小，尺寸也可以做到很小，精度高，感值穩(wěn)定，Q值較高。

圖出自Murata Chip Inductor Catalog

Murata的LQP系列，可以做到01005封裝，高精度產(chǎn)品的容差可以做到0.05nH，最小感值可以到0.1nH，這三個參數(shù)值可以說是當(dāng)前電感的極限了。其他，像Abracon的ATFC-0201HQ系列也可以做到最小0.1nH。

Murata有三種工藝的高頻電感，選擇了同感值(1.5nH)、同封裝、同容差的電感對比。


可以看出繞線型的Q值明顯高于其他兩種，而薄膜型的電感值的頻率穩(wěn)定性高于其他兩種。當(dāng)然，多層型的成本明顯低于其他兩種。

選擇高頻電感時，除了需要確定電感值、額定電流、工作溫度、封裝尺寸外，還要關(guān)注自諧振頻率、Q值、電感值容差、電感值頻率穩(wěn)定性。
電感值通常需要根據(jù)仿真、實際調(diào)試或者參考設(shè)計來確定。大多數(shù)情況，多層片狀高頻電感已能滿足要求，一些特殊場合可能需要關(guān)注：

  • 電感值較大，自諧振頻率較低，需要注意工作頻率應(yīng)遠(yuǎn)低于自諧振頻率。

  • 大功率射頻設(shè)備，PA偏置電流較大，需要選擇繞線型以滿足電流要求；同時大功率設(shè)備溫升較高，需要考慮工作溫度；

  • 對于一些寬帶設(shè)備，需要電感值在帶寬內(nèi)穩(wěn)定，那么應(yīng)選擇薄膜電感；

  • 對于高精度的VCO電路中，作為LC諧振源，只有薄膜電感能提高0.05nH的容差；

  • 像手機(jī)、穿戴式設(shè)備，尺寸可能是最關(guān)鍵的因素，薄膜電感可能是比較好的選擇。


有一些高頻電感具有方向性，貼片安裝的方向?qū)﹄姼兄涤幸欢ㄓ绊懀缦聢D所示：

引自Why is there a direction mark on inductors?

可以看出，標(biāo)記點朝側(cè)面，感值變化較大，所以貼片時應(yīng)注意讓電感上的標(biāo)記點朝上。

另外，Layout時，應(yīng)注意兩個電感不能緊鄰著放置，至少距離20mil以上。原因就是磁場會相互影響，從而影響感值，參考前文共模電感示意圖。

結(jié)語：選型要清楚器件的原理和應(yīng)用，綜合考慮成本、降額、兼容性等多種因素。

-END-


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