一、简介

主要参考的博客: 电感

  • 1、理论分析:知其然,并且知其所以然,从而理解寄生电感

    问题:电感是什么,怎么产生的?
    目的:分析引脚电感,过孔电感,传输线理论模型等等寄生电感。
    
  • 2、讲解示例:功率电感

    各种参数:电感值、饱和电流、温升电流、额定电流、DCR、Q 值、屏蔽性、价格等等
    

    因为材料,封装,工艺等等的差异,也会有各种类型。不同类型的电感参数也会差异比较大。

二、基础知识

根据法拉第电磁感应定律,当通过线圈的磁通发生变化,在线圈两端就要产生感应电动势,并且感应电动势的大小正比于磁通的变化率,即

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因此可以得到以下特性:

1-不能让电感电流突变
电流突变会造成 di/dt 的值无限大,也就是说在电感两端产生无限大的电压,这通常会对电路造成破坏,需要尽量避免。
2-电感在直流电路中相当于短路
直流电路中,di/dt 为 0,产生的感应电动势为 0,也就是说电感在直流电路中相当于短路。
3-电感两端加恒定电压时、电流线性增大或者减小
在电感两端加上恒定电压 U 时,感应电动势与所加电压相等,方向相反,等于-U(负号表示感应电动势要阻止电流变化)。根据上述公式,di/dt=U/L=常数,这说明电感的电流是线性的增加的。
这一点就解释了 DCDC 开关电源中电感电流波形为什么是三角波。在开关打开时,电感两端电压为 VinVout,因此电感电流线性增加,给电感充电。而在开关闭合时,电感两端电压为-Vout,电感电流线性减小,电感放电。

经验公式计算电感值
1:导线电感值

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①线长越长,电感越大
②线越细,电感越大
这两个结论对我们理解寄生电感很有帮助,要想减小寄生电感,走线要尽量短,尽量粗。也能大致看出为什么地平面是低电感路径。

2:不带磁芯电感

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①电感与匝数的平方成正比,但是匝数越多,轴向长度越长,会使 k 减小
②电感与线圈的直径成正比,直径越大,电感越大。
具体使用方式,参见原文链接

3:带磁芯电感

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电感量与其磁导率、匝数 N 的平方、及等效磁路截面积 Ae 成正比,而与等效磁路长度 le 成反比。

电感的储能、等效模型、复阻抗表达式及其模值、谐振频率

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谐振频率
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可以看到,在谐振频率处,阻抗达到最大值;频率低于谐振频率时,电感主要呈现感性;而在频率高于谐振频率时,电感主要呈现容性。
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三、电感实物

1;电感分类

电感依铁芯形状不同有环型、E 型及工字型;
依铁芯材质而言,主要有陶瓷芯及两大软磁类, 分别是铁氧体及粉末铁芯等。
依结构或封装方式不同有绕线式、多层式及冲压式,而绕线式又有非遮蔽式、加磁胶之半遮蔽式及遮蔽式等。

2:电感制作工艺

①绕线电感:铜线绕制请添加图片描述
②叠层电感:丝网印刷请添加图片描述
③薄膜电感:薄膜工艺
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④一体成型:压制成型
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3 : 电感内部结构

①绕线电感:铜线绕制请添加图片描述
②叠层电感:丝网印刷请添加图片描述
③薄膜电感:薄膜工艺请添加图片描述
④一体成型:压制成型请添加图片描述

四、实用参数

1;基础参数

(1):电感值:1H=103mH=106uH=10^9nH
(2):电感精度:一般不高,一般标称值为±20%或者±30%。
(3):电感电流:

饱和电流Isat:饱和电流 Isat 一般是标注在电感值衰减 30%(一些厂家是 10%,40%)的偏置电流。
温升电流 Irms:指电感自我温升温度不超过 40 度时的电流。
额定电流 Irat:电感最终的额定电流,是饱和电流和温升电流中的小者。

1.如果其直流电流已经使磁芯饱和,电流中的交流分量将不能再引起磁通量的变化,电感器就失去了作用,这时磁芯完全饱和。
  电感量是与磁导率成正比的,所以电感量随电流增大而减小。
2.磁芯温度一旦超过其居里温度,它的磁导率会急剧下降,也就说在到达居里温度后,磁芯的电磁效应已无法起到作用,相对磁导率为 1,和空气接近。
3.我们在电路设计中,关于额定电流一般至少会留 20%的裕量。即电感通过的最大电流要小于手册中的额定电流的 80%。

(4):直流导通电阻 DCR:同等电感量,额定电流越大,导线会越粗,DCR 越小。
(5):自谐振频率 SRF:电感存在寄生电容,因此有个自谐振点,并且是串联谐振,在谐振点处,电感的阻抗最大
(6):电感 Q 值:也叫电感的品质因数,是衡量电感器件的主要参数。Q=无功功率/有功功率
_ _ Q 是表示电感质量的一个重要参数。Q 值的大小,表明电感线圈损耗的大小,其 Q 值越大,线圈的损耗越小;反之,其损耗越大。

2:电感的损耗:

1.直流导通电阻DCR,和交流电流感受到的电阻 ACR(由于集肤效应/邻近效应,导线的等效电阻随频率提高)
2.磁芯损耗主要由两种构成,磁滞损耗和涡流损耗。
  磁滞损耗:一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动,使磁芯发热。
  涡流损耗:感生出的环形电场会使磁芯中形成环形电流。电流流过电阻,就会发热,产生损耗.

3:电感特性

(1):直流偏置特性——–电感量会随电流的增大而减小。

 一旦超过饱和电流,铁氧体铁芯的磁导率会陡降,而铁粉芯则可缓慢降低,即有较好的直流偏置特性。

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(2):电感的频率特性——–在频率远小于谐振频率时,电感量可视为常数。

在远高于工作频率d的高频段,因寄生电容与电感所产生的谐振,电感值会上升

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4:减小寄生电感的思路

信号线/焊盘的寄生电容:在设计PCB时,一是要减小铜皮覆盖的总面积;二是要增加层间距(在实际操作时,可以选用层间距大的PCB层叠结构,或者挖空相邻层的参考面)
芯片引脚电感:        最好的设计方法是使用大面积地线(以减小电感)。最好能够在多层印制电路板中使用单独的地线层,即使没有这个条件,至少也要在双层电路板的两面敷上“网格状”地线。此外,大量使用旁路电容也是必须的。这些问题在高电压CMOS上不那么明显(因为其状态转换比较慢),而在F,AS以及AC(T)系列逻辑电路中非常眼中。事实上,AC(T)系列的这类问题非常突出,以至于生成厂家不再把芯片上的电源和地的管脚位置设计成“边角型”,而是设计成“中间管脚”,因为把电源和地的管脚放在一排管脚的中间会减小其内部的电感。此外,有的厂家还是用的多达4个的邻近管脚,以进一步降低对地电感。考虑到这些噪声问题,设计时最好使用更加高速的数字逻辑芯片。
过孔电感:            需要使用小孔径的过孔、加大过孔和铜皮的间距、选用更薄的PCB板材
引线电感:            对寄生电感影响最大的是线长L,将L的长度缩短是减小信号线寄生电感的最有效方法。

五、电感参数的影响及其选型

(5):自谐振频率 SRF:

1、当电感用扼流圈使用时,如射频放大器输出端的直流供电电感时,应该让信号的最高频率在电感的自谐振频率处。
2、在其它应用,滤波器电路,或者是匹配电路时,电感值在信号带宽内应该尽可能的恒定。此时,电感的自谐振频率要比信号最高频率高 10 倍。

(6):电感 Q 值:

Q 值的大小取决于实际应用,并不是越大越好。
1.例如,如果设计一个宽带滤波器,过高的 Q 值如果不采取其他措施,将使带内平坦度变坏。
2.在电源退耦电路中采用 LC 退耦应用时高 Q 值的电感和电容极容易产生自谐振状态,这样反倒不利于消除电源中的干扰噪声。
3.反过来,对于振荡器我们希望有较高的 Q 值,Q 值越高对振荡器的频率稳定度和相位噪声越有利。
(1).实际上,Q 值的提高往往受到一些因素的限制,
(2).如导线的直流电阻、磁芯损耗和屏蔽引起的损耗以及高频工作时的集肤效应等。
(3).因此,线圈的 Q 值不可能做得很高,通常 Q 值为几十至一百,最高也只有四五百。

3:电感特性

(1):直流偏置特性——–电感量会随电流的增大而减小。

 在电源转换器的应用中,此特性很重要。若电感的缓饱和特性不佳时,电感电流上升到达饱和电流,电感量突降会造成开关晶体的电流应力突升,容易造成损坏。

(2):电感的频率特性

1.工作频率时,频率远小于谐振频率时,电感量可视为常数。
2.在远高于工作频率的高频段,因寄生电容与电感所产生的谐振,电感值会上升

4:减小寄生电感的思路

信号线/焊盘的寄生电容:在设计PCB时,一是要减小铜皮覆盖的总面积;二是要增加层间距(在实际操作时,可以选用层间距大的PCB层叠结构,或者挖空相邻层的参考面)
芯片引脚电感:        最好的设计方法是使用大面积地线(以减小电感)。最好能够在多层印制电路板中使用单独的地线层,即使没有这个条件,至少也要在双层电路板的两面敷上“网格状”地线。此外,大量使用旁路电容也是必须的。这些问题在高电压CMOS上不那么明显(因为其状态转换比较慢),而在F,AS以及AC(T)系列逻辑电路中非常眼中。事实上,AC(T)系列的这类问题非常突出,以至于生成厂家不再把芯片上的电源和地的管脚位置设计成“边角型”,而是设计成“中间管脚”,因为把电源和地的管脚放在一排管脚的中间会减小其内部的电感。此外,有的厂家还是用的多达4个的邻近管脚,以进一步降低对地电感。考虑到这些噪声问题,设计时最好使用更加高速的数字逻辑芯片。
过孔电感:            需要使用小孔径的过孔、加大过孔和铜皮的间距、选用更薄的PCB板材
引线电感:            对寄生电感影响最大的是线长L,将L的长度缩短是减小信号线寄生电感的最有效方法。

转自:https://blog.csdn.net/m0_58163393/article/details/126139108