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干貨|技術(shù)大牛教你電感如何選型

發(fā)布時(shí)間:2018-05-18 責(zé)任編輯:xueqi

【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。
 
一、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(wú)源器件;電感的功能就是以磁場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存電能量。
 
以圓柱型線圈為例,簡(jiǎn)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(shí),根據(jù)右手螺旋定則,會(huì)形成一個(gè)圖示方向的靜磁場(chǎng)。而電感中流過交變電流,產(chǎn)生的磁場(chǎng)就是交變磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng),線圈上就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),產(chǎn)生感應(yīng)電流:
 
電流變大時(shí),磁場(chǎng)變強(qiáng),磁場(chǎng)變化的方向與原磁場(chǎng)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(shí),磁場(chǎng)變?nèi)?,磁?chǎng)變化的方向與原磁場(chǎng)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(huì)阻礙流過的電流產(chǎn)生變化,就是電感對(duì)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(gè)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(shí)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(gè)較為復(fù)雜的模型來(lái)表示實(shí)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(shí)際電感的兩個(gè)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(gè)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(chǔ)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)。
 
二、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(gè)磁芯上形成一個(gè)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(lái)自Bing,彩虹圈
 
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
 
平面形繞法優(yōu)點(diǎn)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(jì)中,經(jīng)常遇到電感嘯叫的問題,本質(zhì)就是磁場(chǎng)的變化引起了導(dǎo)體,也就是線圈的振動(dòng),振動(dòng)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(dòng)。
 
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(dòng)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(lái)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
三、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(gè)人感覺TDK和Murata更領(lǐng)先一點(diǎn),從官網(wǎng)的質(zhì)量看出來(lái)的,像Coilcraft的官網(wǎng)就low一點(diǎn),畢竟網(wǎng)站也是需要投資的。
 
在電路設(shè)計(jì)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(hào)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(shí)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(lái)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(lái)越多,通常電感值和電流都較低,優(yōu)點(diǎn)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(lái)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(jì)算,這里不再贅述。從電感本身的角度來(lái)說(shuō)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(huì)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(huì)增加系統(tǒng)損耗,降低效率;
 
額定電流
 
功率電感一般有兩個(gè)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(shí)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(chǎng)強(qiáng)度超過一定值時(shí),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(jì),多孔性材料密度儀,液體密度計(jì),固體顆粒體積測(cè)試儀,磁性材料密度儀。
 
通常對(duì)DCDC電路設(shè)計(jì),要計(jì)算峰值(PEAK)電流和均方根(RMS)電流,通常規(guī)格書中會(huì)給出計(jì)算公式。
 
溫升電流是對(duì)電感熱效應(yīng)的評(píng)估,根據(jù)焦耳定律,熱效應(yīng)需要考慮一段時(shí)間內(nèi)的電流對(duì)時(shí)間的積分;選擇電感時(shí),設(shè)計(jì)RMS電流不能超過電感溫升電流。
 
為了保證在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)電感值穩(wěn)定,設(shè)計(jì)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(jì)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(huì)大幅提高成本,需要綜合考慮。
 
直流電阻
 
電感的直流電阻會(huì)產(chǎn)生熱損耗,導(dǎo)致溫升,降低DCDC效率;因此,當(dāng)對(duì)效率敏感時(shí),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(jí)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(huì)相當(dāng)可觀,會(huì)對(duì)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(wú)法啟動(dòng)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(shí)注意避開關(guān)鍵信號(hào)。
 
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(lái)解決產(chǎn)品的輻射發(fā)射(RE)和傳導(dǎo)發(fā)射(CE)的測(cè)試問題。
 
去耦電感,通常結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,大都是銅絲直接繞在鐵氧體環(huán)上。個(gè)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(duì)于220V市電,差模干擾就是L相到N相之間的干擾;對(duì)POE來(lái)說(shuō),就是POE+和POE-之間的干擾;對(duì)于主板上的低壓直流電源,其實(shí)就是電源噪聲。
 
差模電感選型需要注意一下幾點(diǎn):
• 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(cè)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(jì)LC濾波器,可以做簡(jiǎn)單的計(jì)算和仿真。
 
磁珠(Ferrite Bead),也常用來(lái)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(shí)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(gè)鐵氧體環(huán)上繞制兩個(gè)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(shí),根據(jù)右手定則,會(huì)在兩個(gè)線圈形成方向相同的磁場(chǎng),相互加強(qiáng),相當(dāng)于對(duì)共模信號(hào)存在較高的感抗;
當(dāng)有差模成分流過共模電感時(shí),根據(jù)右手定則,會(huì)在兩個(gè)線圈形成方向相反的磁場(chǎng),相互抵消,相當(dāng)于對(duì)差模信號(hào)存在較低的感抗。
 
換一個(gè)方式理解:當(dāng)V+上流過一個(gè)頻率的共模干擾,形成的交變磁場(chǎng),會(huì)在另一個(gè)線圈上形成一個(gè)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(hào)、HDMI信號(hào)等等。用于濾除共模干擾,同時(shí)有用的差分信號(hào)衰減較小。
 
共模電感選型需要注意一下幾點(diǎn):
直流阻抗要低,不能對(duì)電壓或有用信號(hào)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(cè)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(duì)差分信號(hào)的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響;
考慮封裝尺寸,做兼容性設(shè)計(jì)。例如用于USB信號(hào)的共模電感,選擇封裝可以與兩個(gè)0402的電阻做兼容,不需要共模電感時(shí),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(hào)速率較高,100M以上,可能就會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。
 
3.3 高頻電感
 
高頻電感主要應(yīng)用于手機(jī)、無(wú)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(hào)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(shí)現(xiàn)單端射頻信號(hào)與差分信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。
 
之前介紹的三種結(jié)構(gòu),都可以用來(lái)制作高頻電感,下面介紹下他們的特點(diǎn):
 
多層型
 
多層型通過燒結(jié),形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu),或叫獨(dú)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(shì)就是成本低,性價(jià)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(gè)系列的產(chǎn)品基本一樣,最便宜,性價(jià)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(yáng)誘電的HKQ系列。
 
TDK的多層電感做的更好更全,還有一個(gè)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(jià)格還便宜。
 
繞線型
 
現(xiàn)在的工藝水平已經(jīng)越來(lái)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(shí)可以支持較大的電流。將無(wú)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(hào)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(gè)參數(shù)值可以說(shuō)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(duì)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(shí),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(shí)際調(diào)試或者參考設(shè)計(jì)來(lái)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(chǎng)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(shí)大功率設(shè)備溫升較高,需要考慮工作溫度;
對(duì)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(duì)于高精度的VCO電路中,作為L(zhǎng)C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?,如下圖所示:
 
引自Why is there a direction mark on inductors?
 
可以看出,標(biāo)記點(diǎn)朝側(cè)面,感值變化較大,所以貼片時(shí)應(yīng)注意讓電感上的標(biāo)記點(diǎn)朝上。
 
另外,Layout時(shí),應(yīng)注意兩個(gè)電感不能緊鄰著放置,至少距離20mil以上。原因就是磁場(chǎng)會(huì)相互影響,從而影響感值,參考前文共模電感示意圖。
 
結(jié)語(yǔ):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。
 
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