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    2021-7-1 12:11
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    随着电源的发展金属电感的使用日益增加的情况、以及包括材料在内的金属电感的特征。这与针对近年来的小型化要求,开关频率高的电源需求增加密切相关。 -的确,为实现小型化,提高电源电路的开关频率,使用电感值小的电感、即尺寸小的电感的案例增加了。 我想大家都知道,IC随着工艺的微细化发展,电源电压也越来越低,而电源电流日益增大,也被表述为“ 低电压大电流化 ”。关于电感,要流过大电流,需要电感值小,作为电源电路,要以小的电感值工作,需要 开关频率高 。而原本被认为特性上很难实现大电感值的金属电感,只要在电感值小的条件下,在特性和尺寸两方面均具优势。下图是IC的电源电压变化示意图,以及铁氧体电感和金属电感对开关频率/电感值/电流的覆盖范围示意图。 -铁氧体电感中也有电感值小的产品,那金属电感的优势在哪里? 那么我最先介绍一下 铁氧体 电感与 金属 电感的区别。 首先,金属的 磁导率μ 低,因此是电感值很难提高的材料。然而, 饱和磁通密度 高,即 直流叠加容许电流 高, 饱和 也非常平缓。因此,如果直流叠加容许电流相同,则可比铁氧体的尺寸小。此外,还具有电感值对温度几乎无变化的特性。关于 绝缘 (隔离)也有注意事项,稍后将进行说明。频率特性最近已经显著改善,支持高频率。最后,材料费是△标记,可能也与最近需求高涨有关,已经越来越水涨船高了。 作为很大的一个优点,金属材料的饱和磁通密度高,因此可实现具有优异叠加特性的电感。而要有效利用这一优点,需要改善磁导率μ低、电感值不易提高这一点。 -实际上已经有所改善了吧? 那么我要用ROHM产品来进行说明了。我公司针对一般的金属复合材料,开发出称为“ 金属磁性压粉材料 ”的独有材料。我公司的金属磁性压粉材料与以往的金属复合材料相比,是具有更高的磁导率μ,具有更高的绝缘性能的材料。MCOIL™除采用金属磁性压粉材料外,还融入我公司的独自技术,是具有实用性电感值与优异叠加特性的金属电感。 -提到这种独有材料具有优异的绝缘性能,这与刚才提到的“关于绝缘(隔离)也有注意事项”有关系吗? 因为同是材料相关内容,所以请允许我在此介绍一下。下图为金属复合型材料与MCOIL™的比较及改善点。 金属复合型铁粉通过铁粉间的有机树脂绝缘。而MCOIL™的铁粉间由无机氧化膜覆盖,相互绝缘。 金属复合型的绝缘树脂尤其在高温下容易劣化,绝缘性能也随之恶化。于是 Q劣化 ,损耗显著增加。铁粉内产生的渦流成为损耗,铁粉直径变大则渦流也增大,损耗也增加。此时,因树脂劣化而导致铁粉间的绝缘劣化,一些铁粉成为一个块,就是产生较大渦流的原因。 覆盖MCOIL™铁粉的氧化膜与有机树脂不同,是暴露于高温下也几乎不会产生劣化的材料。因此,金属电感的课题之一即绝缘性能劣化、也就是最终的Q劣化得以大幅改善。此外,使用这种氧化膜的方法与磁导率μ的提升也息息相关。 -具体有哪些特性不同呢? 请看试验数据。这是MCOIL™与其他公司的金属复合标准型(STD)和高Q型材料在实施125℃与150℃的 高温存储试验 后的结果,是按绝缘电阻、电感值、Q变化相对试验时间绘制的。 左上图表示绝缘电阻的变化。初始值(0小时)请看作是个体的波动,其他图也相同。从图中可以确认,在经过500小时后的时间点,金属复合型在125℃试验中劣化到约百分之一、在150℃试验中劣化到万分之五以下,劣化明显。而MCOIL™几乎没有劣化。 右上图为电感值,金属复合型可见轻微劣化趋势,而MCOIL™则非常稳定。 左下图为Q的变化。从图中可见,金属复合型在125℃条件下劣化较缓和,但在150℃条件下随时间推移劣化越来越严重。如前所述,呈现绝缘劣化、Q也劣化的结果。 总之,可以明确的是,温度越高,影响越大。这是高温存储试验,因此没有自身发热。然而在实际的电路中,除环境温度影响外,自身发热也是导致劣化的重大要因。这些电感劣化对DC/DC转换器特性产生怎样的影响呢,来看效率比较数据。 该图是将实施150℃/500小时高温存储试验前的试料与实施后的试料装入实际的DC/DC转换器电路,测量效率的结果。实线是试验前的数据,因初始值的不同而效率有所差异,不过每种类型都发挥了相应的作用。橘黄色的金属复合型为Q较高的类型,因此损耗少效率高。顺便提一下,输入输出条件是高降压比、相对严苛的条件。其他的确认事项还有Iout为2A时的电感表面温度。 虚线表示使用150℃/500小时高温存储试验后的电感的结果。MCOIL™可见些许效率降低,但毫无疑问可以实现2A的输出。两种金属复合型,蓝色STD品的表面温度在1A的时间点与试验前2A时相同,橘黄色Hi-Q品在1A的时间点产生破损。均如前所述,因Q劣化而效率下降,导致电感发热增加,进而助长Q和可靠性的劣化。 -通过这样的改善,金属电感的优异特征部分可以用在电源电路中了。那接下来,稍微回到前面的话题,详细介绍一下与铁氧体的区别。 那我们边看数据边介绍。首先是直流叠加特性。 左边是我公司铁氧体材料的电感数据。这是以前提到过的使用磁性树脂的非屏蔽电感,是饱和特性比较缓和的类型。右边是前面介绍过的金属材料的MCOIL™。两者均可流过超过5A的直流叠加电流,铁氧体材料的电感值缓和下降,金属材料的如前所述,电感下降非常缓和。在特性比较中,可以说几乎相同。 我想通过该数据说明的是,要得到同等的直流叠加特性,在该例中相对于铁氧体的6×6mm尺寸,金属电感仅需4×4mm尺寸即可。面积比较结果则金属电感仅44%(一半以下),当然还可以降低高度。也就是说,有助于实现此次的关键词之一即小型化。 接下来是直流叠加的温度特性数据。铁氧体这边随着温度升高,电感值下降的坡度越来越陡。而金属这边无论温度怎样,直流叠加特性几乎不变,可以说是对温度变化具有很稳定的特性。 铁氧体随着温度升高而易于饱和,因此需要考虑实际使用时的温度条件进行设计。而金属虽然电感值会因DC偏置电流的增加而减少,但设计时关于饱和几乎无需考虑温度的影响,这是很重要的要点。 最后,我们来看标称电感值与直流叠加饱和电流和温度上升容许电流的关系图。 这是前面提到可获得几乎相同的直流叠加特性的尺寸的电感比较例,到标称电感值5µH左右之前,铁氧体和金属几乎相同,然而如红色虚线所示,金属型当电感值提高时,直流叠加饱和电流比铁氧体小。换句话说,当电感值高时,铁氧体的特性更具优势。这在右侧的温度上升容许电流也是同样的。 那么需要说明一下金属型的5µH以上并非用点而是用虚线绘制的原因。这是因为,实际上我公司拥有的金属型为4.7μH以下,未生产更高电感值的金属型产品。因为现实情况是,比这更高电感值时铁氧体更具优势。 前面也提到过,金属型的μ小,电感值很难提高。MCOIL™虽然通过材料的改善,实现了比金属复合型更高的μ,然而还是不及铁氧体。金属型也可通过增加卷线来提高电感值,但会导致Rdc增加,发热增加,因此并不现实。现实情况是,4.7μH可能是享受金属型好处的界限。 -这样说来,最先提到的负载的低电压大电流化与小型化要求,电源端希望使用较小电感值的小型电感。因此,在致力于开关频率高速化的情况下,可以说金属电感正合适吧。 好好总结一下的确如此,这是为充分发挥金属电感具备的优良特性而进行改善,面向高速开关电源市场的做法。此次也是为了让更多人了解现在的金属电感是对高速开关电源的优异解决方案。 来源:techclass.rohm
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    2021-7-1 12:08
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    首先,先介绍一下作为重要特性而说明的直流叠加容许电流和温度上升容许电流,与降压转换器的输出电流是什么关系。请看下图。 直流叠加容许电流 也被称为 饱和容许电流 。即波形图中蓝色线所示的电感的峰值电流。此前提过几次,当峰值电流超过直流叠加容许电流的最大值时,电感产生磁饱和,电感值减少。电感如果饱和,电感的峰值电流异常变大,导致效率下降或异常工作,甚至可能致使电源IC被破坏。 温度上升容许电流 也可以说是流经电感的电流和电阻成分带来的发热的容许值。在波形图中,红色所示的输出DC电流与粉色所示的三角波实效电流的合计即为温度上升容许电流。乘以电感的电阻量即为损耗功率,体现为发热。顺便提一下,三角波实效电流为峰值电流的1/√3,这部分成为AC损耗。当流过比温度上升容许电流大的电流时,发热增加,可能不仅使电感的可靠性下降,还使外围元器件的可靠性下降。另外,达到无法容许的发热水平时,可能引起线缆的绝缘不良,导致烧损。 -再稍微具体介绍一下峰值电流超过直流叠加容许电流值时的现象 有实际的波形数据,请看这个图。 这是使用三种特性不同的电感的降压型转换器数据。左上为相对于输出电流的效率,从图中可知,负载为500mA时没有什么差别,但1500mA时蓝色的电感效率比其他的要低。 左下的波形为相对于输出电流的电感值变化,蓝色电感的电感值在负载超过1000mA时急剧下降。也就是说该电感达到饱和状态。 右侧为电感电流的波形。右上为负载500mA时效率没有什么差异的状态下的波形,波形无特殊差异,正常。 右下为负载1500mA时的波形,饱和的蓝色电感的波形波动明显,峰值电流也增加。这是饱和导致电感值下降,从而导致峰值电流增加,进而电感值进一步下降,进一步流过电流的失控状态。 -也就是说,当出现因负载电流增加导致效率低于预期的症状时,确认电感电流的波形也是方法之一吧。 基本上在DC/DC转换器的评估阶段这是必须的确认项目,当观察到类似这样的波形异常时,或峰值电流明显超出计算值时,可以怀疑电感的饱和。顺便说一下,前面提到的鼓套型电感会急剧饱和,因此具有容易失控的性质,而树脂型电感的饱和相对缓和,可以说不易引起失控。 -接下来是有关温度上升容许电流的,详细介绍一下电感损耗 刚才探讨了输出电流的DC电流与电感AC电流的实效电流、以及电感的电阻。基本上就是如前所述,应该考虑AC电流的AC损耗与DC电流的DC损耗两方面,但电感的DC电阻Rdc与AC电阻Rac不同,需要同时考虑到Rac是因频率而变动的。 该图表示某电感的电阻及阻抗与频率的关系。绿线为电阻。Rdc是频率为零时的值。与之相比,Rac随频率提高而增加,一般开关稳压器的开关频段–几百kHz到几兆Hz的Rac为Rdc的几倍到几十倍。 -也就是说,AC损耗即使电流较小也可产生较大损耗对吧。而开关频率高时更是这样吧。 的确如此。负载电流的大小不同,损耗的主体也有很大不同。看图更容易理解。 电感的损耗功率如上述公式所示,为DC损耗功率+AC损耗功率。首先看负载较轻状态,输出电流小因此DC损耗少,AC成分占主导因而AC损耗占主导地位。相反,负载较重的状态,即输出电流较大的状态下,DC电流占主导。 另外,请看下面的数据。这是相同DC/DC转换器电路,使用电感值相同但结构、尺寸、及容许电流不同的电感时的负载-效率特性比较,以及各电感的Rac频率特性。 在负载较大的区域,电感的Rdc带来的DC损耗占主导地位。而在轻负载区域,Rac带来的AC损耗占主导地位。在此希望大家关注的是,根据电感的种类,Rdc、Rac均有波动,尤其Rac的波动较大。 从效率图可以读取到的是,轻负载时的效率差较大,因而Rac差较大。此外,从Rac图可知,Rac本身存在相当大的波动。纵轴为对数,因此粉色线电感与蓝色线电感相差几倍。 -AC损耗在低负载时占主导地位,不同电感种类的波动较大,这会产生什么问题吗? 例如,像智能手机一样待机状态较长的设备,其工作时间多为待机状态,负载电流即DC电流非常小。也就是说,AC损耗处于主导状态,电流尽管微小,但也产生相应的损耗。那么这类设备如果使用Rac较大的电感会怎样呢? -待机时间变短,电池的寿命可能会受影响。 是啊!电源是电池,因此应该先降低待机时的损耗。如果设计人员不了解电感的这些特性而选用了Rac较大的电感,则电池驱动的便携设备可能无法实现预期的工作时间。待机状态较长的电池设备,Rac小这一点是非常重要的。 -也就是说电感选型时,不仅仅关注电感损耗导致的发热,还要了解损耗因素与特性,这是非常重要的。 绝大多数规格值表中都没有Rac这项,相关官网上也很少有提供这项数据的。需要Rac信息时,请咨询相关制造商。 来源:techclass.rohm
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    2021-7-1 12:04
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    电感是构建开关电源的重要元器件之一。然而,听说包括电感在内的磁性元器件很难弄懂。 的确,不擅长磁性元器件的人不在少数。尽管如此,直到如今开关电源也是必须项目,是无法避开的。接下来,为加深大家对 电感 的理解,我将回答一些问题。 -那么,应该掌握的切入点是什么? 首先想介绍一下电感规格的读法,虽然这是很基本的知识。最先想说的是,即使是同一规格项目,规定该项目的条件也因产品和制造商而异,这种情况很普遍。同样,比如针对同一 规格 项目,某制造商保证了最大值(Max.)和最小值(Min.),而另一制造商则仅提出Typical值(typ/代表值/标准值),类似这类情况混杂存在。因此,在电感选型和与类似品的比较探讨时需要注意。 -也就是说,需要仔细确认规定条件对吗? 的确如此。请不要忘记这一点,就是仅按提供的数值进行比较的话,有时可能带来严重后果。接下来我们来具体看一看。下表是rohm产品目录的摘录。 标称电感值 当然是必须项目。测量频率如最后一列所示为100kHz,容许差为±30%。 自身谐振频率 是作为电感进行工作的极限频率。在这里保证了最小值。表示在不超出所记载最低限度的频率范围内正常工作。 直流电阻 是卷线电阻居主的电阻,这里作为条件标明有±20%容许差。 额定电流 是需要仔细确认条件的项目之一。其中一项规定了 直流叠加容许电流 ,该电感的情况下,表示直流叠加的电感值为-30%的电流值的最大值。不同的制造商/产品,其条件也不同(-10%~-30%)。 作为另一个额定电流,规定了 温度上升容许电流 。规定了施加直流电流时的温度上升达40℃的电流值的最大值,该项条件也因制造商/产品而不同(20℃~40℃)。 关于额定电流,还有一点需要注意。并非每个制造商/每种产品都提供直流叠加容许电流和温度上升容许电流这两项。一般来说,仅提供其中一项时,可以认为从额定角度规定了其中较小的一项,为了保险起见还是向制造商确认一下比较好。 由于额定电流是重要的项目,因此我再稍微详细说明一下。下图是表示直流叠加和温度上升特性与最大值、typ值、余量的关系的图。 以直流叠加容许电流为例进行说明。温度上升容许电流的思路也是相同的。该例中的直流叠加容许电流是作为使直流电流增加、电感值为-30%、即降低30%时的电流规定的。不仅局限于电感,产品个体间一定会存在值的波动。typ值就是其中一个代表性的值。保证值是规定所容许的最大值及/或最小值的值。因此,是对typ值具有余量的值。进行实测的话,多数值是接近typ值的,但其中也包括接近最大值、最小值的个体。 确认typ与最大值/最小值,即可清楚余量有多少。此外,对特性与规定条件进行对比整理,可以看出来是在宽松条件下的规定还是在严格条件下的规定。 -顺便问一下,为什么各产品或制造商间对同一特性的规定条件会有不同? 原因不能一概而论,我想主要是对于应用电路的性能要求和安全确保等,什么样的条件最合适,各制造商的考量不同。当然,还涉及到对产品的性能、特性、品质、可靠性的级别定位、以及价格等条件。 -其他还有什么需要作为切入点进行确认的吗? 除规格理解外,为了解电感的基本特性,还需要知道等效电路与各成分。讲电容器时,介绍过ESR和ESL等寄生成分及其影响,电感同样也有 寄生成分 。 使用 等效电路 进行说明。Rdc主要是卷线的 直流电阻 ,也被称为 “铜损” 。这是与电感串联的成分。Rac主要是铁芯材料的损耗,也被称为 “铁损” 。如电容与电阻所表示的,具有频率特性。频率高则阻抗下降,损耗增加。 绝缘电阻 是对应于泄漏电流的直流电阻。电容是由于卷线被聚氨酯等薄膜绝缘,因此卷线与夹着绝缘物的导体、即电容器的构造相同而产生的。该 线间电容 是主要电容,对谐振点有很大影响。 Q 是表示电感性能的指标。用R(Rac)除X(= ωL)的值表示对于频率有多少损耗。由公式可知,当R(Rac/铁损)小时Q变大。 通过频率与电阻/阻抗的图表来表示电感的基本特性。这是6mm见方、高度2mm的4.7µF电感例。红线为Rac/铁损。蓝线为阻抗,绿线为X(ωL)。 如前所述,由于具有电容,因此有 谐振点 。绿线X在谐振点之后的频率表示电容器主体的特性,频率越高阻抗越低。Rac随频率上升而增加。Rdc为直流(零Hz)时的Rac。 这是某电感的特性,而电感的材料和结构不同,这些寄生成分也会发生变化。 来源:techclass.rohm
  • 2021-6-4 13:46
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    上一期我们给大家介绍了什么是TS16949证书,那么,这样一份颇具含金量的证书,究竟要达到什么样的水平才具备资格去申请认证?在申请认证过程中又有哪些技术难度呢?下面请跟随Raphael的步伐,采访一下我司具有21年工作经历的高级工程师老刘吧,来听听他的分享。 “老刘,请问16949的证书申请认证是否具有难度?”小编把埋藏在心中已久的问题抛了出来。 “是具有相当难度的,毕竟16949证书在汽车行业可以说是无人不知无人不晓的,申请16949的确要符合不少要求才能具备认证的资质”。老刘介绍到:“首先,企业的合法资质肯定不能少,像是营业执照、组织机构代码、税务登记证这些,要确认好营业值得范围,是否和ISO/TS16949申请审核范围冲突,还要确认是否进行了最新年检,” “其次,是汽车产品供应链的证明或者客户出具的证明。谷景电子就是客户出具的证明。因为已经和有着汽车供应链需求的客户合作了许久,在具有加工制造能力以后并且证明了可以通过这种能力的实现能够使产品增值,有了一定的经验与资质,客户的良好关系与信任,客户为谷景出具证明自然也是水到渠成。” “ 除此之外,还需要汽车产品 APQP( 产品质量先期策划 )以及汽车顾客特殊要求清单(在与客户签订的协议或合同中找到客户最关注产品的那一面去定特殊性)、内审员清单( TS16949 内审员资格证,包括体系、产品、过程审核的培训)这些。要完成这些,既要靠上层的坚定信念与投入(认证费、制定管理体系等),还需要公司员工上下齐心协力,目标一致。这个过程,从前期准备开始到最近获得证书,前后花费的时间也有将近两年的时间。 “这几年,许多企业都希望通过TS16969的认证提升企业的运营能力,同时通过认证证书提高企业声誉,这本身是很好的,但是其中不乏一些企业只为配套机会而“购买”认证。相比较而言,那些一步一个脚印努力争取的企业更显难能可贵。例如谷景电子。” “当然,如果不能继续保持质量体系的正常运转和产品质量的一致性,也会面临吊销证书的风险。所以谷景也还需继续努力,未来任重而道远。” 各位小伙伴们,听完老刘今天的分享,你是不是也和小编Raphael一样收获良多,对于TS16949证书的认证要求及难点是否也有了一定的了解呢? 下一期,我们将向大家介绍国内通过16949的情况及16949证书的认证过程,到时关注。
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    2021-4-16 15:19
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    什么是电感的频率特性 在进入具体的电感降噪对策解说之前,先来简单回顾一下电感的频率特性。 首先,电感(线圈)具有以下基本特性,称之为“电感的感性电抗”  ①直流基本上直接流过。  ②对于交流,起到类似电阻的作用。  ③频率越高越难通过。 下面是表示电感的频率和阻抗特性的示意图。 在理想电感器中,阻抗随着频率的提高而呈线性增加,但在实际的电感器中,如等效电路所示,并联存在寄生电容EPC,因而会产生自谐振现象。 所以,到谐振频率之前呈现电感本来的感性特性(阻抗随着频率升高而增加),但谐振频率之后寄生电容的影响占主导地位,呈现出容性特性(阻抗随着频率升高而减小)。也就是说,在比谐振频率高的频率范围,不发挥作为电感的作用。 电感的谐振频率可通过上述公式求得。除了主体是电容量还是电感量的区别外,该公式与电容的谐振频率公式基本相同。从公式中可以看出,电感值L变小时谐振频率会升高。 电感的寄生分量中,除了寄生电容EPC之外,还有电感绕组的电阻分量ESR(等效串联电阻)、与电容并联存在的EPR(等效并联电阻)。电阻分量会限制谐振点的阻抗。 关键要点: ・电感在谐振频率之前呈现感性特性(阻抗随频率升高而增加)。 ・电感在谐振频率之后呈现容性特性(阻抗随频率升高而减小)。 ・在比谐振频率高的频段,电感不发挥作为电感的作用。 ・电感值L变小时,电感的谐振频率会升高。 ・电感的谐振点阻抗受寄生电阻分量的限制。 使用电感和铁氧体磁珠降低噪声的对策 将介绍实际的噪声对策,并通过与铁氧体磁珠(电感大家族的成员,同样经常被用于降噪对策)的比较来展开话题。 使用电感的降噪对策 仅使用电容无法充分消除噪声时,可以考虑使用电感。降噪对策中使用的电感大致有两种。  ①绕组型电感:构成滤波器  ②铁氧体磁珠:将噪声转换为热 电感和铁氧体磁珠的阻抗特性 在进入使用电感和铁氧体磁珠降噪的对策介绍之前,先来了解一下它们的基本特性。虽然铁氧体磁珠被归类为电感,但其频率-阻抗特性与普通电感不同。 铁氧体磁珠与普通电感相比,具有电阻分量R较大、Q值较低的特性。利用该特性可消除噪声。 另外,直流电流特性也不同。 普通的电感可容许较大的直流叠加电流,只要在其范围内,阻抗不怎么受直流电流的影响,谐振点也几乎不变。相比之下,铁氧体磁珠对于直流电流容易饱和,饱和会导致电感值下降,谐振点向高频段转移。这会导致滤波器特性变化,因此需要特别注意。 下面开始介绍使用电感和铁氧体磁珠降低噪声的对策。 ①绕组型电感:构成滤波器 下面是关于使用了电感的π型滤波器的介绍。在低频段,因电感和电容而发挥低通滤波器的作用。到了高频段,由于电感会变现为电容、电容会表现为电感,从而π型滤波器起到高通滤波器的作用,因此无法获得噪声消除效果。 ②铁氧体磁珠:将噪声转换为热 铁氧体磁珠在低频段基本上也起到低通滤波器的作用。但是,如前所述,在这个频段对于直流电流容易饱和,使用这种电感值下降的铁氧体磁珠很难消除目标频段的噪声。 接下来请看右侧的曲线图。电抗降低并存在与电阻分量交叉的点。当超过这个被称为“交叉点”的频段后,铁氧体磁珠将起到电阻的作用,具有将噪声转换为热的功能。这是与内置绕组型电感的滤波器之间的巨大差异。而在更高频段,则与绕组型电感相同,发挥高通滤波器的作用。 使用了铁氧体磁珠的滤波器,不仅可将噪声旁路消除,还可将噪声转换为热,因此有望实现优异的噪声消除性能。但是,需要注意其直流偏置电流特性。 关键要点: ・用于降噪对策的电感,大致可以分为绕组型电感构成的滤波器和利用铁氧体磁珠进行热转换两种。 ・铁氧体磁珠与普通电感相比,具有电阻分量R较大、Q值较低的特性。 ・普通的电感可容许较大的直流叠加电流,只要在其范围内,阻抗不怎么受直流电流的影响。 ・铁氧体磁珠对于直流电流容易饱和,饱和会导致电感值下降,谐振点向高频段转移。 ・普通电感构成的滤波器,可选电感值的范围较宽。 ・铁氧体磁珠的Q值较低,因此在较宽频率范围内具有有效的降噪效果。 使用共模滤波器降低噪声的对策 作为使用电感的降噪对策之一,本文将介绍使用共模滤波器降噪的内容。从严格意义上讲,共模滤波器并不是电感器,而是磁性器件,是降噪对策中的重要部件。 共模滤波器 共模滤波器的结构是两个绕组绕在一个磁芯上,相当于两个电感组合在一起(见下图)。当绕组中流过电流时,磁芯产生磁通,针对急剧的电流变化,起到使电流不易流通(扼流)的作用。这与电感的自感作用相同。 共模滤波器基本上起到 共模电流不流通 、 差模电流流通 的作用。关键在于这2根导线沿同一方向绕在一个磁芯上。 如图所示,差模电流是在2根导线上往复流动,因此磁芯产生的磁通方向相反,磁通抵消,因此不能起到扼流作用,而是直接通过。 相比之下,共模电流的流向相同,因此磁通量增强,电流不易流过。也就是说,共模电流=共模噪声难以通过,被滤除。 使用共模滤波器降低噪声的对策 由于这里提到开关电源的噪声,因此在下面给出作为电源的输入滤波器使用的示例。 该图是在“开关电源的输入滤波器”中使用过的图,如图所示在电源的输入线插入共模滤波器。与用于信号线的共模滤波器相比,用于电源线的共模滤波器使用差模阻抗较大的分裂绕组结构的。这些产品一般作为电源线用共模滤波器推出,其差模噪声消减效果也值得期待。但是,由于几百k~几MHz左右的差模阻抗非常低,因此一般与π型滤波器等差模噪声用的滤波器并用。 注意点 : 串扰、GND线反弹噪声 这之前作为使用电感的降噪对策,介绍了电感和铁氧体磁珠、共模滤波器。本文将主要介绍PCB板布局相关的注意事项。 串扰 串扰是因电路板布线间的杂散电容和互感,噪声与相邻的其他电路板布线耦合。下面是LC滤波器的图形布局和部件配置带来的串扰及其对策示例。 在左侧的布局示例中,VCC线路中有LC滤波器,滤波器后的布线与含有滤波器前的噪声的布线相邻,因此噪声因串扰而耦合,滤波效果下降。右侧为对策示例,采用了不与含有噪声的线路相邻的布局,从而可将噪声耦合控制在最低限度内。 GND线反弹噪声 在该示例中可以看出,在使用了π型滤波器的电感前后所配置的电容,其GND的设置方法可能会带来地线反弹噪声。在左图示例中,如箭头所示,来自GND的噪声经由电容回流,并去到了滤波器外面。 在这种情况下,为了避免噪声直接传播,可利用Via的寄生电感的手法,经由过孔(Via)与GND平面连接,改善效果较好。 经常听到“在开关电源电路中,PCB板布局是非常重要的”,的确非常重要。这里面包含着布局诀窍。在Tech Web的“DC/DC转换器的PCB板布局”一文中,介绍了PCB板布局的基础,建议一并阅读。 关键要点: ・有些PCB板布线布局,会因串扰而导致滤波效果下降。 ・π型滤波器的电容的GND的某些设置方法可能会带来地线反弹噪声。 ・优化PCB板布线布局可避免这些问题。 小结 使用电感的降噪对策总结 1. 使用电感的降噪对策 ・仅用电容无法充分消除噪声时,可考虑使用电感。 ・降噪对策中使用的电感大致有两种。  ①绕组型电感:组成滤波器  ②铁氧体磁珠:将噪声转换为热。 2. 电感和铁氧体磁珠的阻抗特性 ・虽然铁氧体磁珠被归类为电感,但其频率-阻抗特性与普通电感不同。 ・铁氧体磁珠与普通电感相比,具有电阻分量R较大、Q值较低的特性,因此可利用该特性消除噪声。 ・普通的电感可容许较大的直流叠加电流,只要在其范围内,阻抗不怎么受直流电流的影响。 ・请注意,铁氧体磁珠对于直流电流容易饱和,饱和会导致电感值下降,谐振点向高频段转移,滤波特性产生变化。 3. 使用绕组型电感的降噪对策:组成滤波器 ・普通电感构成的滤波器,可选电感值的范围较宽。 ・使用电感的Π型滤波器,在低频段,因电感和电容而发挥低通滤波器的作用。 ・到了高频段,由于电感会表现为电容、电容会表现为电感,从而π型滤波器起到高通滤波器的作用,因此无法获得噪声消除效果。 4. 使用铁氧体磁珠的降噪对策:将噪声转换为热 ・铁氧体磁珠的Q值较低,因此在较宽频率范围内具有有效的降噪效果。 ・铁氧体磁珠在低频段基本上发挥低通滤波器的作用,在这个频段,对于直流电流容易饱和,因此使用这种电感值下降的铁氧体磁珠很难消除目标频段的噪声。 ・当电抗下降且越过与电阻分量的交叉点时,铁氧体磁珠发挥电阻的作用,可将噪声转换为热。 ・使用了铁氧体磁珠的滤波器,不仅可将噪声旁路消除,还可将噪声转换为热,因此有望实现优异的噪声消除性能。 ・发挥电阻功能且将噪声转换为热,是与使用绕组型电感的滤波器之间的巨大差异。 ・在更高频段,则与绕组型电感相同,发挥高通滤波器的作用。 5. 共模滤波器 ・从严格意义上讲,共模滤波器并不是电感器,但在降噪对策中它是重要的磁性器件。 ・共模滤波器的结构是两个绕组绕在一个磁芯上,相当于两个电感组合。 ・共模滤波器是利用自感作用来阻止共模电流通过(斩波),从而消除共模噪声。 ・共模电流不流通、差模电流流通。 6. 使用共模滤波器的降噪对策 ・作为开关电源的输入滤波器使用时,要使用差模阻抗较大的分裂绕组结构的共模滤波器。 ・这种滤波器一般作为电源线用共模滤波器销售。 ・虽然其差模噪声消除效果也值得期待,但是由于几百k~几MHz左右的差模阻抗非常低,因此一般与π型滤波器等差模噪声用的滤波器并用。 7. 串扰相关的注意事项 ・有些PCB板布线布局,会因串扰而导致滤波效果下降。 ・串扰是因电路板布线间的杂散电容和互感,噪声与相邻的其他电路板布线耦合。 ・滤波器后的布线与含有滤波器前的噪声的布线相邻时,噪声因串扰而耦合,滤波效果下降。 ・作为对策,采用不与含有噪声的线路相邻的布局,可将噪声耦合控制在最低限度内。 8. GND线反弹噪声相关的注意事项 ・在使用了Π型滤波器的电感前后所配置的电容,其GND的设置方法可能会带来地线反弹噪声。 ・作为对策,为了避免噪声直接传播,可利用Via的寄生电感的手法,经由过孔(Via)与GND平面连接,改善效果较好。 来源:techclass.rohm
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