原创 元器选型攻略之 电感

2022-12-5 18:26 521 1 1 分类: 模拟 文集: 元器件

电子元器件领域电阻、电容、电感被称为 “三剑客”;其中电感又被称为“渣男”。



图片来源:华秋商城


什么是电感?

提到电感,离不开电感线圈这个名词,即用绝缘导线绕制而成的电磁感应元件。


要理解电感,首先了解几个名词: “感生”、“变化”、“改变”


让我们回到高中课本:

(1)当一个导体相对磁场运动时,导体中会感生电流。从而在导体的两端会产生感生电动势(可以理解为电压)。




(2)当导体处在变化的磁场中,导体内部会产生感生电流。像第一种情况一样,导体内也会产生感生电动势。




(3)当导体中有电流流动时,导体周围会产生磁场。




以上是不是似曾相识?对的,希望你没有把它们还给你的高中物理老师。


根据楞次定律,电路中的感生电动势是描述电路中抵消或补偿其自身的增加或减少的一个物理量。从这个原理出发,会有以下效应:

(1)无论导体和磁场发生相对运动还是磁场变化,都会产生感生电流。感生电流的方向是其激发的磁场与原磁场的变化趋势相反的方向。

(2)导体中电流改变时,由此电流激发的磁场会发生变化,磁场的变化会感生新的电流以阻碍原电流的变化。

(3)由电流变化感生的电动势与产生电流变化的电势的极性相反。


所以,归纳起来就一句话电感是电路阻止电流改变的一种性质。


当电感线圈接到交流电源上时,线圈内部的磁力线将随电流的交变而时刻在变化着,致使线圈不断产生电磁感应。这种因线圈本身电流的变化而产生的电动势,称为“自感电动势”。


由此可见,电感量只是一个与线圈的圈数、大小形状和介质有关的一个参量,它是电感线圈惯性的量度而与外加电流无关。


电感符号:L

电感单位:亨(H)、毫亨(mH)、微亨(uH),1H=10*10*10mH=10*10*10*10*10*10uH。



电路中为什么要用使用电感?

如前面所讲,电感是阻止电流的改变,那么为什么电路中还需要它呢?


物尽其用,正是因为电感的独特特性才使的它在电路中处在不可或缺的地位。如一些滤波、振荡、延迟、陷波电路中非它不可。在电子线路中,电感线圈对交流有限流作用,它与电阻器或电容器能组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等;





电感的分类:

关于电感的分类,网上有很多说法,有按照外型、工作性质、封装形式、电感量、用途、耦合方式、结构等等众多分法。实际每个人实际涉及的领域都比较窄,设计中很难用到所有类型的电感,此处就按照某知名平台的分类给大家介绍,是按照应用场景分类的,便于不同领域的工程师做筛选。




有分为固定电感、信号/去耦电感、环形/磁环电感、功率电感、工字电感、色环电感、共模电感、高频电感。


今天就以功率电感为例给大家介绍需要注意的关键参数,对于电子产品来讲,功率电感是应用最多的,只要有供电就离不开功率电感。


如下图所示功率电感的关键参数有:品牌、直流电阻(DCR)、感值、精度、额定电流、自谐振频率、工作温度、封装等参数。



图片来源:华秋商城



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1)品牌:

如下是2022年Top10的电感品牌指数,都是在电子行业深耕多年的企业,对于工程师做选型时,如果价格不受限制,那么选择大品牌肯定没错。


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2)直流电阻(DCR)

前面已经讲过,电感是绝缘导线绕制而成的电磁感应元件,所以是导线就必然有阻抗,直流电阻是衡量电感重要品质之一,在电路中我们是利用电感的感性特性,他的电阻特性就要越小越好,所以电感的直流电阻(DCR)值越小越好,任何类型的电感都遵循这条规则。


如下所示,电感规格书中展示的直流电阻参数。



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3)感值

电感核心参数,它的值取决于绝缘导线的绕制匝数、大小、介质等。


电感的感值越大,阻碍电流的变化越明显。实际设计需要选的电感值,与实际应用的电路有关,对应的电路根据实现的功能都有具体的计算公式,或者计算工具。


比如,功率电感应用在DCDC电压转换电路中,具体电路中所需要的电感值,所选用的DCDC转换芯片都已经有推荐值,这个是厂商已经结合芯片工作计算好的,我们直接按照厂商的推荐选用不同厂家,不同封装的电感即可;


注意一点,对与DCDC电压转换电路,功率电感的感值并不是非常确定必须选用某个值,假如根据实际计算得出的结果是4.1uH,那么实际的电感并没有4.1uH这个感值,此时选用3.3uH和4.7uH对DCDC转换电路都是可以正常工作的,只是感值偏大偏小的利弊不同罢了,本身DCDC的工作状态是动态的,而计算是基于特定状态参数计算而来,并非符合任意状态的场景。


比如DCDC电路中,电感值稍微大一点,纹波会好一些,但是动态响应会差一些,电感值小了动态响应会好,但是对应纹波会受影响。具体取舍要具体问题具体对待,以我的经验还是优先保证动态响应好一些,毕竟纹波还有其他途径解决。


如下是TI的TPS562200降压芯片的推荐电路,规格书中有不同应用场景对应推荐的电感值,以及计算公式供参考。



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4)精度

精度是指对应标称感值的精度,任何电子元器件制作出来都会存在误差,精度是衡量以标称值为中心的上下偏差,不同应用场景电感精度范围不同,以及对精度的要求也不同;


功率电感的精度主要是J,K,M,N几个档位,一些高频电感,特别是应用在射频电路的贴片高频电感,主要精度范围是W,B,C,D几个档位,通常感值越小的应用场景,对精度要求越高。



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5)额定电流

电感是电路阻止电流改变的一种性质,所以电感自身能都承受的电流就叫额定电流。


如下图所示,功率电感中有两个额定电流,Saturation Current 饱和电流和Heat Rating Current温升电流,在实际选型中我们是以那个为选型依据呢?



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最可靠的方法是工作电流以饱和电流与温升电流中的最小者为选型依据并且通常按照80%的降额选型。


饱和电流是指电感加电流后,电流逐渐增大时,磁芯会进入饱和状态,电感值会逐渐下降,当电感值下降到30%时的电流值称为饱和电流;


温升电流是指电感加电流后,电感物料自我温升温度不超过40℃时的电流值;


对于温升电流,实际设计中也要注意,如果电感所处的PCB周围有高发热器件,会使电感的温度上升的更加快更加高,那么选择电感时温升电流要考虑更大的余量,来避免电感温度过高;




6)自谐振频率

电感在终端电极或导体匝数之间有比较低的分布电容。它自身的电感和分布电容在一定频率上会产生谐振,这个频率叫做自谐振频率。


当频率超过自谐振频率的时候,电感也不再呈感性。所以电感选型时,我们要注意自己应用电路中的工作频率,一定要选择自谐振频率远远高于我们实际电路的频率,相差越大越好。



7)工作温度

工作温度是指电感本体正常工作所能承受的温度范围,这个不同于的做成的电子产品工作温度范围,通常我们是根据定义的产品应用场景以及内部设计结构来决定我们选择什么温度范围的电感。温度范围越宽适用的场景就越多,同时价格也就越贵。


通常分为军工级、车规级、工业级、消费级;



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做消费类的电子产品也不完全不会用到工业级或车规级的物料,这个取决与产品的设计,如果产品功耗高,体积小,发热严重,那么内部电感位置的温升过大,高于电感本身的额定工作温度,那么就需要考虑使用更高温度等级的电感了。



8)封装

不同类型的电感,封装不同,取决于材质,磁芯、线圈等。高频电感通常是贴片封装,如0201/0402/0603等,和贴片电阻电容的封装相同;


如下同一系列不同感值的功率电感封装尺寸:


在选型时要根据自身电路所需要的感值、额定电流来确定所选的功率电感尺寸,往往都新的设计是先确定感值和额定电流,封装不会作为决定因素,除非是已经设计好的产品在做选型替代,那么封装必须相同,反而其他参数在一定范围内可以适当放宽,那也是因为当初设计时留有比较充分的余量才可以。



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今天关于电感和功率电感选型的整理分享就这些,希望能帮到大家,如有个人观点不对的也欢迎指出,大家一起交流学习。


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作者: 华秋商城, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3889327.html

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