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电感的基础原理 电感的工艺结构
来源:华体会携手沃尔夫斯堡版    发布时间:2024-05-04 04:55:43

  ;电感是一种能将电能通过磁通量的形式储存起来的被动电子元件。通常为导线卷绕的样子,如下图圆柱型线圈为例,粗略地介绍下电感的基本原理。

  根据右手螺旋定则,当上图中有恒定电流流过线圈时,会形成一个图示方向的静磁场。但电感中通过的是交变电流时,产生的磁场就会是一个交变磁场,在线圈通电瞬间产生的这个变化的磁场中马上产生了一个新的电场,线圈上瞬时就有了新的感应电动势,由此产生新的感应电流,这个新的电流总是与原来的电流逆向对抗着,如此周而复始,它们遵从如下原则:

  ● 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一些变化,就是电感对交变电流呈高阻抗。也就平常大家说的电感有“通直流、阻交流”的特性。

  电感的阻抗特性我们大家可以用两个现象来描述: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。

  如果要量化电感的阻抗值,我们大家都知道它与两个因素相关:一是频率;二是电感的固有属性,也就电感的值(L),也称为电感。根据理论推导,圆柱形线圈的电感公式如下:

  可以看出电感值的大小与线圈长度、横截面积、内部磁芯的材料、匝数等有关,与外加电流的大小是无关的。

  上述模型是理想模型,实际电感的特性不仅只有电感的作用,还有别的因素,如:

  等效模型有不同形式,各有各的画法,但要能体现它的损耗和分布电容特性。根据等效模型,可以定义实际电感的两个重要参数。

  由于Cp与L一起构成了一个并联谐振电路,这个谐振频率便称电感的自谐振频率。在低于自谐振频率的频率下,电感的阻抗随频率增加而变大趋势;在高于自谐振频率的频率下,电感的阻抗随频率增加而变小的趋势,就呈现容性。

  是电感储存功率与损耗功率的比,也称为Q值,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。

  由前文介绍的公式可知,磁芯的μ越大,L值越大,实际磁芯并不全是磁材,可以是空气、木头、陶瓷等非磁性材料,这样电感值较小,但是基本不存在饱和电流;真正的铁磁材料做磁芯时,如铁氧体,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;如果同样的感值,采用磁芯磁导率越大,那绕线就可以少绕匝数,绕线少就能降低直流电阻;同样的尺寸不变的情况,绕线少可以加粗,提高电流承载能力。

  另外,电源设计中,有时你会发现有啸叫的问题,其实就是磁场的变化引起了线圈的振动,振动的频率刚好在音频的范围内,人耳就可以听见,如采用合金一体成型电感,比较牢固,能够更好的降低振动。

  多层片状电感的制作流程与工艺:浆料干燥成型--印刷导电浆料--最后叠层--烧结成一体化结构(Monolithic)。

  多层片状电感相比绕线电感优点是:尺寸小、一体化结构、标准封装、适合自动化高密度贴装、可靠性高、耐热性好。

  薄膜电感制程类似于IC,先在基底上镀一层导体膜,然后采用光刻工艺制作线圈,最后加介质层、绝缘层、电极层,封装成型。

  电感,从工艺技术上,领先的绝大多数都是三大日系厂商TDK、Murata、Taiyo Yuden。国内目前正在追赶但还有点差距。

  三家都有相应的选型软件,有电感、电容等所有系列的产品及相关参数曲线 - TDK

  类等空间限制较大的产品中,通常电感值和电流都较低,优点是成本较低、体积超小。

  来选型。通常,DC-DC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。

  通常应使用DC-DC芯片规格书推荐的电感值;L越大,纹波越小,但尺寸会变大;通常提高开关频率,能够正常的使用小电感,但开关频率提高会增加系统损耗,降低效率;

  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。

  通常使用铁磁性材料做磁芯,增加磁芯的磁导率,能大大的提升电感值。但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。

  )(查规格书中给出计算公式)。选择电感时,设计RMS电流低于电感温升电流。温升电流是对电感热效应的评估,根据焦耳定律,热效应需要仔细考虑一段时间内的电流对时间的积分;为了能够更好的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。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度提高成本,提高可靠性的同时需要考虑成本。直流电阻

  电感的直流电阻会产生热损耗,导致温升,降低DC-DC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。

  还有就是依照产品的应用温度要求、要不要满足RoHS、汽车级Q200等标准的要求、还有

  等造成无法启动的现象。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。3.2 去耦电感

  也叫Choke,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,通常结构最简单,大都是铜丝直接绕在铁氧体环上。自己觉得可以分为差

  Bead),也常用来滤除主板上的低压直流电源的噪声,与去耦电感之间的区别是:• 磁珠是铁氧体材料制造成,高频时铁氧体的磁损耗(等效电阻)变得很大,把高频噪声转化成热能耗散掉;

  ● 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。

  ● 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;

  换一个方式理解:假设V+上流过一个频率的共模干扰,形成的交变磁场,同时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-上共模干扰的方向刚好相反,这样就抵消了一部分,减小了共模干扰。

  信号、CAN总线V市电等等。在滤除共模干扰的同时,有用的差分信号衰减较小。共模电感选型必须要格外注意一下几点:● 低直流阻抗,不能对电压或有用信号产生较大影响;

  ● 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。

  高频电感主要使用在于手机、无线路由器等产品的射频电路中,从100MHz到6GHz都有应用。

  ● 滤波(Filter):与电容一起组成LC滤波器,滤除一些噪声频率成分,防止干扰器件工作;● 谐振(Resonance):与电容一起构成LC振荡电路,作为VCO的振荡源;

  ● 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。

  ● 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;

  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。

  Murata的LQW系列能做到03015封装,最小感值1.1nH;Coilcraft的0201DS系列,能做到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,因此电感值能做到很小,尺寸也能做到很小,精度高,感值稳定,Q值较高。

  产品的容差能做到0.05nH,最小感值可以到0.1nH,这三个参数值能够说是当前电感的极限了。其他,像Abr

  on的ATFC-0201HQ系列也能做到最小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。

  选择高频电感时,除了需要确定电感值、额定电流、工作时候的温度、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。

  电感值常常要根据仿真、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规定的要求,一些特殊场合在大多数情况下要关注:

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

  ● 对于高精度的VCO电路中,作为LC谐振源,只有薄膜电感能提高0.05nH的容差;

  ● 像手机、穿戴式设备,尺寸可能是最关键的因素,薄膜电感可能是比较好的选择。

  有一些高频电感具有方向性,贴片安装的方向对电感值有一定影响,如下图所示:

  另外,Layout时,应注意两个电感不能紧邻着放置,至少距离20mil以上。原因是磁场会相互影响,进而影响感值,参考前文共模电感示意图。

  结语:选型要清楚器件的原理和应用,综合考虑成本、降额、兼容性等多种因素。

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  主要由线圈绕组和磁芯,以及辅助的支撑封装材料组成。线圈主要起导电作用,目前通用的是铜线和铝线。铜线的导电性能比较好,损耗低,但是价格和重量相比来说较高。铝线圈的价格和重量低,但是

  来进行升压变换,下面讨论一下Boost的变换原理。图3.5 Boost升压斩波变换

  是恒流源法。由于运放及外围元件组成一定频率的交流恒流源,然后测量串联在这一恒流源电路中

  。使用储能元件从输入电源获取能量得到一个电压,然后将它和输入电压顺向串联,就能轻松实现升压功能。电容和

  器对电路中的噪声和干扰进行滤波处理。电源中的噪声和干扰主要由以下几个方面产生:1.电网的电磁干扰2.电源变压器的漏磁3.开关元件的开关干扰4.设备内部器件的相互干扰

  及选型方法 /

  干扰周围的元件,也不会被相邻的元件干扰,有利于元件的高 -密度安装;一体化

  ,可 靠性高;良好的耐热性和可焊性;规则形状,适用于自动化表面安装生产。TDK的MLK型

  起来,来保证电压稳定。还有整理和筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰(EMI静噪滤波器)等功能。

  、种类、核心参数和选型要点 /

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