硬件設計 | 電感篇
[導讀]注|文末留言有福利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用出發(fā)，介紹電感如何選型。01電感的基本原理電感、電容和電阻是電子學三大基本無源器件，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，當恒定電流流過線圈時，根...
注 | 文末留言有福利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用出發(fā)，介紹電感如何選型。
01電感的基本原理
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，線圈上就有感應電動勢，產(chǎn)生感應電流：
實際電感的特性不僅僅有電感的作用，還有其他因素，如：
自諧振頻率由于Cp的存在，與L一起構成了一個諧振電路，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。
品質因素也就是電感的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的參數(shù)。自諧振頻率和Q值是高頻電感的關鍵參數(shù)！
02電感的工藝結構
電感的工藝大致可以分為3種：01繞線電感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：圓柱形繞法圓柱形繞法很常見，應用也很廣，例如：圖片來自Bing平面形繞法平面形繞法也很常見，大家一定見過一掰就斷的蚊香。平面形繞法優(yōu)點很明顯，就是減小了器件的高度。
由公式可知，磁芯的磁導率越大，電感值越大，磁芯可以是：
另外，在電源設計中，經(jīng)常遇到電感嘯叫的問題，本質就是磁場的變化引起了導體，也就是線圈的振動，振動的頻率剛好在音頻范圍內，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。02多層片狀電感多層片狀電感的制作工藝：將鐵氧體或陶瓷漿料干燥成型，交替印刷導電漿料，最后疊層、燒結成一體化結構。多層片狀電感的比繞線電感尺寸小，標準化封裝，適合自動化高密度貼裝；一體化結構，可靠性高，耐熱性好。03薄膜電感薄膜電感采用的是類似IC制作的工藝，在基底上鍍一層導體膜，然后采用光刻工藝形成線圈，最后增加介質層、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：
03電感的應用及選型
電感，從工藝技術上，領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。三家都有相應的選型軟件，有電感、電容等所有系列的產(chǎn)品及相關參數(shù)曲線。
01電感的基本原理
電感、電容和電阻是電子學三大基本無源器件，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，線圈上就有感應電動勢，產(chǎn)生感應電流：- 電流變大時，磁場變強，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)生的感應電流與原電流方向相反，電感電流減小；
- 電流變小時，磁場變弱，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)生的感應電流與原電流方向相同，電感電流變大。
實際電感的特性不僅僅有電感的作用，還有其他因素，如：
- 繞制線圈的導線不是理想導體，存在一定的電阻；
- 電感的磁芯存在一定的熱損耗；
- 電感內部的導體之間存在著分布電容。
自諧振頻率由于Cp的存在，與L一起構成了一個諧振電路，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。
品質因素也就是電感的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的參數(shù)。自諧振頻率和Q值是高頻電感的關鍵參數(shù)！
02電感的工藝結構
電感的工藝大致可以分為3種：01繞線電感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：圓柱形繞法圓柱形繞法很常見，應用也很廣，例如：圖片來自Bing平面形繞法平面形繞法也很常見，大家一定見過一掰就斷的蚊香。平面形繞法優(yōu)點很明顯，就是減小了器件的高度。
由公式可知，磁芯的磁導率越大，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；合金磁導率比鐵氧體大；鐵磁性材料存在磁飽和現(xiàn)象，有飽和電流。
另外，在電源設計中，經(jīng)常遇到電感嘯叫的問題，本質就是磁場的變化引起了導體，也就是線圈的振動，振動的頻率剛好在音頻范圍內，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。02多層片狀電感多層片狀電感的制作工藝：將鐵氧體或陶瓷漿料干燥成型，交替印刷導電漿料，最后疊層、燒結成一體化結構。多層片狀電感的比繞線電感尺寸小，標準化封裝，適合自動化高密度貼裝；一體化結構，可靠性高，耐熱性好。03薄膜電感薄膜電感采用的是類似IC制作的工藝，在基底上鍍一層導體膜，然后采用光刻工藝形成線圈，最后增加介質層、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。
03電感的應用及選型
電感，從工藝技術上，領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。三家都有相應的選型軟件，有電感、電容等所有系列的產(chǎn)品及相關參數(shù)曲線。
- SEAT 2013 - TDK；
- Simsurfing - Murata；
- Taiyo Yuden Components Selection Guide
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