丸子~

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电感知识点汇总

2021-1-9 20:50:01 显示全部楼层
电感的作用电感的作用之一:通直流阻交流

以电源为例,DC/DC直流电源是通过不断地开/合MOSFET管以形成所需的电源电压。开合的过程含有大量的交流分量,而这些交流分量是直流电源所不需要的。
根据电感阻抗公式:Z=jω \omegaωL; 频率越高,电感阻抗越大,反之,电感阻抗越小。因此电感具有通直流,阻交流的作用。

电感作用之二:阻碍电流的变化,保持器件工作电流的稳定

电感是用外表绝缘的导线绕制而成的,电磁敏感的线圈。当线圈中通有电流时,线圈周围会产生磁场。当线圈中通有电流时,线圈周围会产生磁场。当电流变化时,线圈感应出电动势,以产生与电流方向相反的感应电流,阻碍这种电流的变化。

电感作用之三:滤波

电平状态高速变换的信号,往往寄生有大量的高频谐波,这些谐波是影响电路工作的噪声。在电路设计中,需要构建低通滤波器滤除这些高频噪声。根据电路原理,低通滤波器往往基于电感和电容构建。

电感关键参数解析

1. μi(导磁率)(Permeability)
这是铁芯的一个重要参数,对于一个带铁芯的电感,铁芯的导磁率越高,电感值会越高。

2. L(电感值)(Inductance)
L=(4πμiN2A/l)*10-9 (H),N-线圈圈数,A-磁路截面积,l-磁路平均长度。电感值与铁芯的μi值成正比,与线圈圈数的平方成正比,与测试频率有关(电感值随测试频率的变化关系常用电感的频率曲线来表示),与环境温度有关,客户通常对电感值的要求是在某一特定频率下合于某一范围。电感值通常是不用计算得出的(因为就算你算得吐血也未必算得准,磁环的可以算得大概准确),而是用仪器测出的。目录上通常是标示L值的公差范围。

3. Q(品质因素)
客户通常对Q值的要求是越高越好, Q=2πfLe/Re (Re是有效电阻,是消耗能量的部份, 有效电阻由DCR、表面效应、铁损所贡献) (Le是真实电感扣除分布电容影响后的值),电子工 程师希望所选定的频率讯号通过,而且更希望所通 过的讯号损失越少越好,故他们希望Q值越高越好。 Q值也是随测试频率而变化的,(Q值随测试频率的 变化关系常用Q值的频率曲线来表示)。目录上通常 以其最小值为标注。

4. DCR(直流电阻)(Direct Current Resistance)
电感在直流电流下测量得之电阻,客户通常对DCR值的要求是越小越好。目录上通常以其最大值为标注。

5. SRF(自共振频率)(Self-Resonant Frequency)
电感的真实电感与电感的分布电容产生共振 时的频率,客户通常对SRF值的要求是越大越好。目录上通常以其最小值为标注。自共振频时电感的表现就像电阻,即 (真实)电感值的感抗(2πfL)与分布电容的容抗 (-1/2πfCd)相互抵消,即2πfL-1/2πfCd=0, 所以自共振频率f=1/2π√LCd。自共振频时 电感的Le(有效电感值)为0,所以此时的Q值 为0。

6. 额定电流(Rated DC Current)
允许通过电感的连续的直流电流强度,超过额定电流使用电感可能导致电感烧毁。电感的额定电流主要与绕制电感的铜线的线径有关(线越粗,电感的额定电流越大),电感的额定电流还与电感的散热能力有关,散热能力越好,额定电流越大(电感的 散热能力与电感的型式、形状、尺寸等有关)。

7. 饱和电流(Saturation Current)
在电感上加一特定量的直流偏压电流,使电感的电感值下降,相对未加电流时 的电感值下降10%(铁氧体磁芯)或20% (铁粉芯),这个直流偏压电流就叫该 电感的饱和电流。空芯、陶瓷芯电感是 没有饱和电流的。

8. Z值(阻抗值)(Impedance)
电感在交流电流下表现出的阻碍作用的 总和,因此阻抗又俗称“交流电阻”。 Z=Re+jX,Re是有效电阻,X是电抗。 对于纯电感X=2πfL,又称为感抗, 常用XL表示。对于纯电容X=-1/2πfC, 又称容抗,常用XC表示。当电感被用于 EMI控制时,客户往往只关心电感的阻抗值的表现,即阻抗值-频率曲线图。 由右图可知,该电感其阻抗随频率增加 而增加,在低频时其阻抗极低,可使低频之讯号通过而没有损失,而在高频时具有较高阻抗,可有效抑制信号所产生之高次电磁谐波。

9. 居里温度(Curie Temperature)
这是铁芯的一个重要参数,超过此温度铁氧体 磁芯将失去磁性。因此要注意电感的工作 温度不能超过铁芯的居礼温度。铁芯的磁导率一般在接近居里温度时会 急速上升,因而电感值亦上升,居里温度导磁率降至很低,因而使电感值急速下降, 当导磁率下降至室温下的10%时,其温度称 之为居里温度。

10. 工作温度范围(Operating Temperature Range)
指元件可以安全工作的环境温度范围。

11. 测试频率(Test Frequency)
用来测量电感的电感值或Q值的频率,工业上常用的测试频率包括:1KHz、79.6KHz、252KHz、796KHz、2.52MHz、7.96MHz、25.2MHz、50MHz,现在的趋势是依客户的使用频率作为测试频率。

电路设计常用电感及其应用要点

根据电感的应用场合,可以将电感分为高频信号用电感/一般信号用电感和电源用电感。从器件资料上,需要得到以下关键信息:

  • 电感值
  • 直流电阻
  • 自谐振频率(Q最大时的频率)
  • 额定电流
高频信号电感

高频信号电感主要用在射频信号上。
1)主要参数

  • 电感值范围:0.6~390nH.
  • 直流电阻:有多种直流电阻可选。一般而言,电感值越大,其对应的直流电阻也越大。
  • 自谐振频率:可以高达12GHz。电感值越大,其对应的自谐振频率往往越小。
  • 额定电流:几十毫安到几百毫安。电感值越大,其对应的额定电流往往越小。
    2)应用特点
    电感值和自谐振点与工作频率的关系


由上图可知:

  • 工作频率小于谐振频率时,电感值基本保持稳定。
  • 但一旦工作频率超过谐振频率后,电感值将会迅速增大。
  • 若频率继续增大并达到一定程度后,电感值又会迅速减小。

在应用中,应该选择谐振频率点高于工作频率的电感。对于高频信号电感而言,谐振频率点一般在1GHz以上。

一般信号用电感

1)主要参数

  • 电感值范围:0.01~1000uH
  • 直流电阻:多种直流电阻可供选择,电感值越大,对应的直流电阻也越大。一般信号用电感,其直流电阻比高频信号用电感和电源用的电感大一些,最小的直流电阻一般为100mΩ,大的可达几欧姆。
  • 自谐振频率:几十兆赫兹到几百兆赫兹。电感值越大。其对应的自谐振频率越小。
  • 额定电流:几毫安到几十毫安。电感值越大,其对应的额定电流越小。
    2)应用特点
    工作频率低于谐振频率时,电感值基本保持稳定;但工作频率超过谐振频率后,电感值将会先增大,达到一定频率后,将迅速减小。

    从阻抗频率曲线可知,工作频率低于谐振频率时,电感器件呈电感性,阻抗随频率的升高而增大;
    当工作频率高于谐振频率时,电感表现出电容性,阻抗随频率的升高而减少(实际电感非理想电感,有寄生电容)
    因此,在应用中,应该选择谐振频率高于工作频率的电感。
    对应一般信号用电感,谐振频率点一般在几百兆赫兹以内。
    高速设计中,板间互连信号纹波比板内信号大,可以使用一般信号用电感加以滤波。
电源用电感

主要用在电源电路中
1)主要参数

  • 电感值范围:1~470uH。
  • 直流电阻:多种直流电阻可选。电感值越大,其对应的直流电阻也越大。最小的直流电阻一般为几毫欧,大的有几欧。
  • 自谐振频率:几十兆赫兹到几百兆赫兹。电感值越大,其对应的自谐振频率越小。
  • 额定电流:几十毫安到几安。电感值越大,对应的额定电流越小。

2)应用特点
如下图所示,工作频率低于谐振频率时,电感值基本保持稳定;但工作频率超过谐振频率后,电感值将会先增大,达到一定频率后,将迅速减小。
因此,在应用中,应该选择谐振频率高于工作频率的电感。
对于电源用电感而言,谐振频率点一般在几十兆赫兹以内,该类电感为电源滤波常用电感。
3)主要事项

  • 电感与电容组成低通滤波时,电感值是一个很关键的参数。电感器件资料标称的电感值,是工作频率低于谐振频率点的值,如果工作频率高于谐振频率,则电感值将会随着工作频率的升高而急剧减少,逐步呈现电容性。
  • 电感用于电源滤波时,需要考虑由于其直流电阻而引起的压降,以及产生的热量。
  • 用于电源滤波时。电感的工作电流必须小于额定电流,如果工作电流大于额定电流,电感值未必会损坏,但是电感值可能低于标称值。

电感选型时,首先需要根据设计需求选择对应类型的电感。例如,
高速信号线上使用的电感,应该重点考察其Q频率特性曲线;电源滤波使用的电感,应重点考察其直流电阻,额定电流等参数。

电感啸叫原因

如果耳朵能听到啸叫(吱吱声),可以肯定电感两端存在一个20HZ-20KHZ(人耳范围)左右的开关电流。
例如DC-DC电路的电感啸叫,由于负载电流过大,DC内部有一个限流保护电路,当负载超过IC内部的开关(MOS)电流时,限流检测电路判断负载电流过大,会立即调整DAC内部开关占空比,或者立即停止开关工作,直到检测负载电流在标准范围内时,再重新启动正常的工作开关。从停止开关到重启开关的时间周期正好是几KHZ的频率,正因为这个周期的开关频率产生啸叫。
改善对策:降低负载电流或更换功率稍大的DC-DC,更改输出电容等方法。

负载电流或电压过大导致电感引起的噪声问题:电感–由于电流变化产生的感应电压引起传输线效应,突变,串扰,开关噪声,轨道塌陷,地弹和大大多数电磁干扰源(EMI)。

例如:
数字电路具有噪声,饱和逻辑(例如TTL和CMOS)在开关过程中会短暂地从电源吸入大电流,从而在数字地上引起的噪声就会很大,但由于逻辑级的抗扰度可达数百毫伏以上(由于电感引起–电流变化产生的感应电压)

电感加入磁芯,主要目的是为了提高电感线圈的电感(或互感)量。

反动电势:
①反电动势是指有反抗电流发生改变的趋势而产生电动势,其本质上属于感应电动势。
②反动电势的由来:电流的变化引起磁场的变化。根据麦克斯韦的说法,变化磁场的周围会产生电场,电场对其中的电荷会有电场力,电场力是非静电力,产生电动势。
③当电流是从小增加到大时,产生的反向电动势的方向与原电压方向相同。当电流从大到小时,产生的反向电动势的方向与原电压方向相反。

开关电源电感选择

在便携电子设备里都包含有多个电源管理芯片,一般常用的开关电源芯片分两种:BOOST转换器(升压),BUCK转换器(降压电路)。下面是两种电源电路的两种拓扑结构,在这里简单说明在两种电源结构中电感的选择准则。

BOOST变换器是能产生高于电池电压的电路。

BUCK变换器是能产生一个低于自己输入电压的电路,相比于线性降压器有更高的转换效率更少的发热。

在开关电源电路里,电感都是独立外置的。随着现在电子设备越来越来小,PCB的面积也会越来越来小。做硬件系统设计时,在电感的大小与电感大小对电源电路性能的影响之前要做一个权衡。

在选择电感时,许多与电感相关的参数需要认真进行考虑,这些参数一般包括:

∆L(感值误差)

f0(自谐振频率)

DCR(直流等效电阻)

Isat(电感饱和电流)

Irms(电感温升电流)

电感的额定感值L及感值误差∆L

额定电感值是电感在一个给定的频率下测得的值,感值误差是同一批电感里电感与电感之值的感值差异。一般在电感器件规格书里为如下:

对于一个BUCK变换器,最小的电感值由输出电压,开关频率所以决定的,可由以下公式进行计算:

Vinmax最大输入电压 ,Vout 输出电压 ,fsw开关频率,D开关占空比,Irpp

电感的峰峰值电流。

Irpp是一个需要特别重视的参数,它直接决定了选用的电感及输出电容的大小。Irpp电流大意味要得小的输出电压纹波,必须要使用大容值低ESR的输出电容。Irpp电流小意味着要选择大感值电感。为了平衡这一矛盾,一般在设计电路将Irpp选为电源电路Irated额定输出电流的50%,于是电感的计算公式简化为如下:

相应的,BOOST变换器电感的公式如下:

Vinmin最小输入电流。

当我们设计电路时应该选择的电感值大于所计算出来的Lmin,同时在选择电感一定要将电感的误差值也计算在内。如果电感值误差是20%,那么我们在选择电感值就应该至少为1.25 × Lmin。

例如:

设一个BUCK变换器,输出电流500mA,电压1.2V。输入电压为电池电压最大到4.4V,开关频率1.2MHz。根据上面公式可以计算出Lmin= 2.91μH,将20%电感误差计算在内,1.25 × Lmin=3.64μH。在目标的标准电感内,可以看到为4.7μH。

电感的自谐振频率f0

理想电感器件的阻抗是随着频率的上升而增加的,但是真实中的电感器件由会存在寄生的电容形成RC电路结构,使电感器件存在一个自谐振频率f0。在这个频率之下,电感器件阻抗曲线表现为近以理想的电感特性,电感的阻抗随着频率的上升而增加的。在这个频率之上,电感器件更加表现的像一个电容,电感阻抗随着频率的上升面下降的。下面是理想电感与实际电感的阻抗曲线对比:

对于一个外型大小已给定电感,电感值越大,自谐振频率越小。一般我们选择电感时自谐振频率为电路开关频率的10倍。

在电感器件的规格里为如下:


电感直流电阻DCR

真实的电感器件并不是一个理想的纯感器件,会有一个直流电阻存在,我们一般称之为DCR。由于这个电阻的存在,使得流过电感器件的一部分电流以热的形热被耗散掉了,使得转换效率下降。在电感器件的阻抗曲线上,低频部分的大小是由DCR决定的。

DCR与转效率的关系如下:

Rdc电感的直流电阻,是由电压变换器输入的负载电流。

从以上公式可以看出,当输入电压,负载电流,输出电压已经被给定的情况下,DCR越大率效越低。对于一般的电感器件来讲:

电感直流电阻对于效率的影响,重载时比轻载明显。
在电感值给定的情况下,电感器件的外型越小DCR越大。
在电感外型大小给定的情况下,电感值越大DCR越大。
在电感值一定的情况下,有磁屏蔽的电感器件的DCR小于没有磁屏蔽的。
在电感的规格书里,一般会给DCR的典型值及最大值供我们参考,在设计时尽量选择较小DCR的电感。

电感的饱和电流Isat及温升电流Iram

电感都会有磁饱和特性,当电感中的电流大于某一个电流值时,电感量就会出现大幅下降,这个电流值我们称之为电感的饱和电流。在一般的工程实践中,我们将使电感量下降30%所对应的电流做为电感饱和电流。


电感的温升电流Irms 是流过电感电流的有效值,它主要会引起电感温度的上升使得电感量大幅下降。温度的上升是由于电感的DCR引起,我们一般定义其为,在室温下使得电感产生40度温升所对应的电流。通常电感的温升电流是低于其饱和电流的。

如果在电路里发生了电感饱合,电感量下降会使得电感里的峰峰值电流Irpp增加,从而增大了AC损耗,使电压变换的效率降低。另外,更大的Irpp也会使得输出纹波电压变大。

以一下BUCK为例(1.2V 500mA),测试两种不同规格的电感:

CBC25184R7M 测试结果

CB2518T4R7M测试结果


观察以上两个图可以看到使用CBC25184R7M的Irpp是137mA,相对的使用CB2518T4R7M的是226mA,换算下来,CBC25184R7M的电感值是4.07uH下降了14%,而CB2518T4R7M为2.46uH下降了48%。

同样的,流过电感的Irms高于电感所规定的温升电流,那么也会引起一样的问题。

当我们在选择评估Isat,Irms这两个值时,一般要求其中最小的那个值要大于电路额定输出电流的1.3倍。

功率电感选型

功率电感在电子产品使用中十分广泛,但是如何选择一款合适的功率电感呢?选择功率电感主要看感值、直流电阻、饱和电流、温升电流、测试频率、尺寸等几个参数。下面我们来详细说明下如何根据这几款参数选择一款合适的功率电感。

一、首先是感值,感值就不用多说了,选择电感首先就是确定电感量。

二、直流电阻就是电感导体的本身阻值,也就是直流状态下测量出来的电阻,从理想状态来讲,电感的直流电阻越小越好。

三、饱和电流是在电感上加一特定量的直流偏压电流, 使电感的电感值相对未加电流时的电感值下降10%-30% (一般都是按30%来算),这个直流偏压电流就叫该电感的饱和电流,饱和电流是越大越好。

四、温升电流是在电感上加一特定量的直流偏压电流,使电感本体温度相对未加电流时的温度上升不超过40℃(该温度需稳定30分钟以上且不再继续上升),这个直流偏压电流就叫该电感的温升电流,温升电流也是越大越好。

五、测试频率是指测试电感值的一个频率,很多工程师都觉得电感值和频率是没关系的,但实际上不同频率下的电感值还是有差异的,大多数电感的测试频率越高,感值就越高;所以在选择功率电感时也要清楚产品的应用频率和电感的测试频率,如果相差太大,就有可能出现电感实际应用感值和规格感值不同的情形。

六、尺寸:如果没有特殊要求,我建议工程师们选择电感尺寸时,尽量选择电感高度是长度1/2的电感,这类尺寸电感结构和工艺都是最成熟。

饱和电流和温升电流应该是很多工程选择功率电感着重点,也有很多工程师不知道怎么去选饱和电流和温升电流;正常情况,饱和电流是会比温升电流大的,所以你只要把饱和电流当波纹电流来选择,把温升电流当工作电流来选择就简单多了。


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