电感的工艺和应用选型
硬件设计 2021-04-30

器件选型是硬件工程师的基本工作,本文主要从电感的工艺和应用出发,介绍电感如何选型。

01电感的基本原理

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: 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: 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: 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。
品质因素 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!
0 2 电感的工艺结构

电感的工艺大致可以分为3种: 01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: 图片来自Bing 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。 多层片状电感的比绕线电感尺寸小,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: 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,薄膜电感具有:
  • 更小的尺寸,008004封装;

  • 更小的Value Step,0.1nH;

  • 更小的容差,0.05nH;

  • 更好的频率稳定性。


0 3 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、Taiyo Yuden。这三家的产品线完整,基本上可以满足大多数需求。 三家都有相应的选型软件,有电感、电容等所有系列的产品及相关参数曲线。
  • SEAT 2013 - TDK;

  • Simsurfing - Murata;

  • Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library。

个人感觉TDK和Murata更领先一点,从官网的质量看出来的,像Coilcraft的官网就low一点,毕竟网站也是需要投资的。
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DCDC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功率电感功率电感通常用于DCDC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DCDC芯片来选型。通常,DCDC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。 电感值 通常应使用DCDC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; 额定电流 功率电感一般有两个额定电流,即温升电流和饱和电流。 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DCDC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于额定值的80%,当然降额幅度过大会大幅提高成本,需要综合考虑。
直流电阻 电感的直流电阻会产生热损耗,导致温升,降低DCDC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EMC器件,EMC工程师主要用来解决产品的辐射发射(RE)和传导发射(CE)的测试问题。 去耦电感,通常结构比较简单,大都是铜丝直接绕在铁氧体环上,个人觉得可以分为差模电感和共模电感,这里不再赘述共模和差模的概念。
差模电感 差模电感就是普通的绕线电感,用于滤除一些差模干扰,主要就是与电容一起构成LC滤波器,减小电源噪声。 对于220V市电,差模干扰就是L相到N相之间的干扰;对POE来说,就是POE+和POE-之间的干扰;对于主板上的低压直流电源,其实就是电源噪声。 差模电感选型需要注意一下几点:
  • 直流电阻、额定电压和电流,要满足工作要求;
  • 结构尺寸满足产品要求;
  • 通过测试确定噪声的频段,根据电感的阻抗曲线选择电感;
  • 设计LC滤波器,可以做简单的计算和仿真。

磁珠(Ferrite Bead),也常用来滤除主板上的低压直流电源的噪声,但磁珠与去耦电感有区别的。

  • 磁珠是铁氧体材料烧制而成,高频时铁氧体的磁损耗(等效电阻)变得很大,高频噪声被转化成热能耗散了;
  • 去耦电感是线圈和磁芯组成,主要是线圈电感起作用;
  • 磁珠只能滤除较高频的噪声,低频不起作用;
  • 去耦电感可以绕制成较高感值,滤除低频噪声。

磁珠等效电路模型:
共模电感   共模电感就是在同一个铁氧体环上绕制两个匝数相同、绕向相反的线圈。 如上图所示的共模电感:
  • 当有共模成分流过共模电感时,根据右手定则,会在两个线圈形成方向相同的磁场,相互加强,相当于对共模信号存在较高的感抗;

  • 当有差模成分流过共模电感时,根据右手定则,会在两个线圈形成方向相反的磁场,相互抵消,相当于对差模信号存在较低的感抗。

换一个方式理解:当V+上流过一个频率的共模干扰,形成的交变磁场,会在另一个线圈上形成一个感应电流,根据左手定则,感应电流的方向与V-上共模干扰的方向相反,就抵消了一部分,减小了共模干扰。
共模电感主要用于双线或者差分系统,如220V市电、CAN总线、USB信号、HDMI信号等等,用于滤除共模干扰,同时有用的差分信号衰减较小。
共模电感选型需要注意一下几点:
  • 直流阻抗要低,不能对电压或有用信号产生较大影响;

  • 用于电源线的话,要考虑额定电压和电流,满足工作要求;

  • 通过测试确定共模干扰的频段,在该频段内共模阻抗应该较高;

  • 差模阻抗要小,不能对差分信号的质量产生较大影响;

  • 考虑封装尺寸,做兼容性设计。例如用于USB信号的共模电感,选择封装可以与两个0402的电阻做兼容,不需要共模电感时,可以直接焊0402电阻,降低成本。

下图是某共模电感的共模阻抗和差模阻抗。 如果共模干扰频率在10MHz左右,滤波效果很好,但如果是100kHz,可能就没什么效果,如果差分信号速率较高,100M以上,可能就会影响信号质量。 03高频电感高频电感主要应用于手机、无线路由器等产品的射频电路中,从100MHz到6GHz都有应用。
高频电感在射频电路中主要有以下几种作用:
  • 匹配(Matching):与电容一起组成匹配网络,消除器件与传输线之间的阻抗失配,减小反射和损耗;

  • 滤波(Filter):与电容一起组成LC滤波器,滤出一些不想要的频率成分,防止干扰器件工作;

  • 隔离交流(Choke):在PA等有源射频电路中,将射频信号与直流偏置和直流电源隔离;

  • 谐振(Resonance):与电容一起构成LC振荡电路,作为VCO的振荡源;

  • 巴仑(Balun):即平衡不平衡转换,与电容一起构成LC巴仑,实现单端射频信号与差分信号之间的转换。

之前介绍的三种结构,都可以用来制作高频电感,下面介绍下他们的特点:
多层型 多层型通过烧结,形成一个整体结构,或叫独石型(Monolithic)。 多层片状电感,相比于其他两种就是Q值最低,最大的优势就是成本低性价比高,适合于大多数没有特殊要求的应用, TDK和Taiyo Yuden的高频电感都只有多层型,没有绕线型和薄膜型。
TDK的MLK系列、Murata的LQG系列、Taiyo Yuden的HK系列,这三个系列的产品基本一样,最便宜,性价比高。
当然随着工艺技术的提升,现在也有高Q值系列的多层片状电感,例如TDK的MHQ系列、太阳诱电的HKQ系列。
TDK的多层电感做的更好更全,还有一个MLG系列,有0402封装,感值可以做0.3nH,Value Step 0.1nH,容差0.1nH,接近薄膜电感的性能,价格还便宜。
绕线型 现在的工艺水平已经越来越高,绕线电感也可以做到0402封装。 绕线型工艺,其导线可以做到比多层和薄膜结构粗,因此可以获得极低的直流电阻。 也意味着极高的Q值,同时可以支持较大的电流,将无磁性的陶瓷芯换成铁氧体磁芯,可以得到较高的感值,可以应用与中频。
Murata的LQW系列,可以做到03015封装,最小感值1.1nH;Coilcraft的0201DS系列,可以做到0201封装,号称世界上最小的绕线电感。
薄膜型 采用光刻工艺,工艺精度极高,因此电感值可以做到很小,尺寸也可以做到很小,精度高,感值稳定,Q值较高。 Murata的LQP系列,可以做到01005封装,高精度产品的容差,可以做到0.05nH,最小感值可以到0.1nH,这三个参数值可以说是当前电感的极限了。其他,像Abracon的ATFC-0201HQ系列也可以做到最小0.1nH。 Murata有三种工艺的高频电感,选择了同感值(1.5nH)、同封装、同容差的电感对比。 由图可以看出绕线型的Q值明显高于其他两种,而薄膜型的电感值的频率稳定性高于其他两种,当然,多层型的成本明显低于其他两种。
选择高频电感除了需要确定电感值、额定电流、工作温度、封装尺寸外,还要关注自谐振频率、Q值、电感值容差、电感值频率稳定性。
电感值通常需要根据仿真、实际调试或者参考设计来确定。大多数情况,多层片状高频电感已能满足要求,一些特殊场合可能需要关注:
  • 电感值较大,自谐振频率较低,需要注意工作频率应远低于自谐振频率。

  • 大功率射频设备,PA偏置电流较大,需要选择绕线型以满足电流要求;同时大功率设备温升较高,需要考虑工作温度;

  • 对于一些宽带设备,需要电感值在带宽内稳定,那么应选择薄膜电感;

  • 对于高精度的VCO电路中,作为LC谐振源,只有薄膜电感能提高0.05nH的容差;

  • 像手机、穿戴式设备,尺寸可能是最关键的因素,薄膜电感可能是比较好的选择。

有一些高频电感具有方向性,贴片安装的方向对电感值有一定影响,如下图所示: 可以看出,标记点朝侧面,感值变化较大,所以贴片时应注意让电感上的标记点朝上。 另外,Layout时,应注意两个电感不能紧邻着放置,至少距离20mil以上,原因就是磁场会相互影响,从而影响感值,参考前文共模电感示意图。 

结语: 选型要清楚器件的原理和应用,综合考虑成本、降额、兼容性等多种因素。

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