电子基础知识-电感.docx

Ol电感的基本原理电感器又称扼流器、电抗器、动态电抗器。电感、电容和电阻是电子学三大基本无源器件，电感的功能就是以磁场能的形式储存电能量。以圆柱型线圈为例，简单介绍下电感的基本原理：电感符号如上图所示，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，电感的阻抗与两个因素有关：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：U-N2-S其中：L为线圈电感，单位H（亨利）L-I为芯柱的磁导率，H/mN为线圈的总匝数S为线圈的横截面积，nf/为线圈的纵向长度，m可以看出电感的大小与线圈的大小及内芯的材料有关。实际电感的特性不仅仅有电感的作用，还有其他因素，如：绕制线圈的导线不是理想导体，存在一定的电阻；电感的磁芯存在一定的热损耗；电感内部的导体之间存在着分布电容。因此，需要用一个较为复杂的模型来表示实际电感，常用的等效模型如下：Rp为磁芯损耗的等效电阻Rs为导线损耗的等效电阻Cp为电极之间的等效电容L为电感的实际感值等效模型形式可能不同，但要能体现损耗和分布电容。根据等效模型，可以定义实际电感的两个重要参数。自谐振频率由于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。(2)品质因素Q=3:角频率L：电感值r:等效电阻也就是电感的Q值，电感储存功率与损耗功率的比，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。自谐振频率和Q值是高频电感的关键参数！02电感的读法与分类电感定义：是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感(Inductor)：通常用字母“L"表示。电感的单位是亨利，简称亨，符号是H,常用的电感单位有亨(H)、毫亨(mH)、微法(H)o换算关系是：IH=IOOOmHImH=IOOOuH电感在原理图中的符号表示如图。在原理图中符号表示般字母表小电感共模电感在实际电子产品应用中，根据电感“通直流，阻交流”的特性，在电路中所起的作用主要是滤除高频干扰信号。常用的电感根据安装方式大致可分为这么几类，如图。电感贴片电感插件电感电感的主要参数有标称电感量，直流电阻，额定电流，有些直接把电感量标在式率感片功电电感的本体上，叠片电感除外，由于体积与工艺的关系没法标示，在实际更换中需直接LCR电桥测量。像其它的类型的电感读法，有数码标注法，文字符号标注法。数码标注法前面两位为有效数哦，第三位为倍乘，单位为UH331= 33×10i =330uH文字符号标注法文字符号来表示电容值和偏差，单位为UH时，用R表示1R5= 1.5uH别一种是色码标注法，前二位是阻值的有效数,第三位表示10的几次方，默认单位是UH,如图。色码标注法ColorU<f.NominalInductance(UH)标称电g乡值(微亭)Black,T01±20%Brown椽1*10RZ数2XloOFIRSTSIGNIFIeANT.八.Ln.,、3«1000FIGURE%“效票7TOLERANCEYellow黄4SECONDsignificantmultiplierf*Green维5HGURhf%½,?Bluff6Violet紫7Gray灰8w)rFWhite白9OoM金-0.1*5%电感量：47×102=4700uH=4.7mHSilverff«001±10%银：误差±10%03电感的工艺结构电感的工艺大致可以分为3种：Ol绕线电感顾名思义就是把铜线绕在一个磁芯上形成一个线圈，绕线的方式有两种：圆柱形绕法圆柱形绕法很常见，应用也很广，例如：(2)平面形绕法平面形绕法也很常见，大家一定见过一掰就断的蚊香。平面形绕法优点很明显，就是减小了器件的高度。由公式可知，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，在电源设计中，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。02多层片状电感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。HowamultilayerchipinductorismadeFerriteorceramicsheetSheetswithaprintedconductorpatternarelayeredtoformaspiralshapedcoil.InternalelectrodeExternaI(Outside)electrode 一Conductorpattern(coilsemicircle)Viahole(forconnectingconductorsbetweensheets)Ferrite(Illustrationshowsasimplifiedversionofsheettypemultilayerconstruction.Othertypesusingprintedthick-filmasmultilayermaterialalsoexist.)多层片状电感比绕线电感尺寸小，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。03薄膜电感薄膜电感采用的是类似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。薄膜器件的制作工艺，如下图所示：薄膜带通滤波器的结构及制造方法划片机(DiCingSaw)薄膜电子元件通过薄膜工艺技术在晶圆上制作.再切割成一个个片状 元件（薄膜带通滤波器）LOmrTl长X 0.5mm宽 x 0 3mm高 与LTCC方法相比.体积减少1/4薄膜线圈平面螺旋形薄膜线困基底光刻工艺的精度很高，制作出来的线条更窄、边缘更清晰，因此，薄膜电感具更小的尺寸，0804封装；更小的ValUeStep,0.1nH；更小的容差，0.05nH；更好的频率稳定性。04电感的应用及选型电感，从工艺技术上，领先的基本上是三大日系厂商：TDK、Murata.TaiyoYudeno这三家的产品线完整，基本上可以满足大多数需求。在电路设计中，电感主要有三大类应用：功率电感：主要用于电压转换，常用的DC-DC电路都要使用功率电感；去耦电感：主要用于滤除电源线或信号线上的噪声，EMC工程师应该熟悉；高频电感：主要用于射频电路，实现偏置、匹配、滤波等电路。01功率电感磁芯（依复体+公金等）绕线型(Wirewound)绕线电极功率电感通常用于DC-DC电路中，通过积累并释放能量来保持连续的电流。功率电感大都是绕线电感，可以提高大电流、高电感。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DC-DC芯片来选型。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。从电感本身的角度来说明如何选型。多层型(MukjisyefTM)C)电极EfrtImUrIZW3Iru«>RlmutX(W>>(B)I<U*附0,XHQyW1。：卜3；【m】LTo32P流剧MP。Xk2.01.2t.?L92.06I.TLtf0.S-30-35”*3MP。1.5<aBXQk2.03.2t.6IM.e1.Bt.C6(U3。8301-25,.3MP。22d1.21.35L3i.s1.J7Li0.1S40.If-26“R0电感值通常应使用DC-DC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；(2)额定电流功率电感一般有两个额定电流，即温升电流Itemp和饱和电流Isato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，磁感应强度不再增加了，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DC-DC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。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额定值的8(H,当然降额幅度过大会大幅提高成本，需要综合考虑。(3)直流电阻RdC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。02去耦电感去耦电感也叫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DlC器件，EMC工程师主要用来解决产品的辐射发射(RE)和