技术大牛教你电感如何选型



一、电感的基本原理

电感,和电容、电阻一起,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

技术大牛教你电感如何选型

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,电感的阻抗于两个因素有关: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:

技术大牛教你电感如何选型

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:

技术大牛教你电感如何选型

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(Self-Resonance Frequency)

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(Quality Factor)

技术大牛教你电感如何选型

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

二、电感的工艺结构

电感的工艺大致可以分为3种:

2.1 绕线电感(Wire Wound Type)

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(Round Wound)

圆柱形绕法很常见,应用也很广,例如:

技术大牛教你电感如何选型

平面形绕法(Flat Wound)

平面形绕法也很常见,大家一定见过一掰就断的蚊香

技术大牛教你电感如何选型

平面形绕法优点很明显,就是减小了器件的高度。

由前文的公式可知,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,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。

2.2 多层片状电感(Multilayer Type)

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(Monolithic)。

技术大牛教你电感如何选型

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。

引申阅读:搜索关键词LTCC、Thick Film

2.3 薄膜电感(Thin Film Type)

薄膜电感采用的是类似于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

技术大牛教你电感如何选型

技术大牛教你电感如何选型

· 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

谁能告诉我Value Step如何翻译才信达雅?

引申阅读:

· Murata Develops World's Smallest Chip Inductor - 008004 size (0.25 x 0.125 mm)

· ATFC-Thin-Film-Inductor

· What is Thin Film

· What is Thin Film?

三、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。

3.1 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;

技术大牛教你电感如何选型

多层片状功率电感也越来越多,通常电感值和电

技术大牛教你电感如何选型




上一篇:福州再添3名新冠肺炎患者治愈出院 累计治愈出院23例
下一篇:华为Sound X立体声套装配备高磁性钕铁硼稀土材质
吉林快3 吉林快3