談談電感

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引申閱讀:談談電容 - 硬體之路 - 知乎專欄

器件選型是硬體工程師的基本工作,本文主要從電感的工藝和應用出發,介紹電感如何選型。

一、電感的基本原理

電感,和電容、電阻一起,是電子學三大基本無源器件;電感的功能就是以磁場能的形式儲存電能量。

以圓柱型線圈為例,簡單介紹下電感的基本原理

如上圖所示,當恆定電流流過線圈時,根據右手螺旋定則,會形成一個圖示方向的靜磁場。而電感中流過交變電流,產生的磁場就是交變磁場,變化的磁場產生電場,線圈上就有感應電動勢,產生感應電流:

  • 電流變大時,磁場變強,磁場變化的方向與原磁場方向相同,根據左手螺旋定則,產生的感應電流與原電流方向相反,電感電流減小;
  • 電流變小時,磁場變弱,磁場變化的方向與原磁場方向相反,根據左手螺旋定則,產生的感應電流與原電流方向相同,電感電流變大。

以上就是楞次定律,最終效果就是電感會阻礙流過的電流產生變化,就是電感對交變電流呈高阻抗。同樣的電感,電流變化率越高,產生的感應電流越大,那麼電感呈現的阻抗就越高;如果同樣的電流變化率,不同的電感,如果產生的感應電流越大,那麼電感呈現的阻抗就越高。

所以,電感的阻抗於兩個因素有關:一是頻率;二是電感的固有屬性,也就電感的值,也稱為電感。根據理論推導,圓柱形線圈的電感公式如下:

可以看出電感的大小與線圈的大小及內芯的材料有關。

實際電感的特性不僅僅有電感的作用,還有其他因素,如:

  • 繞制線圈的導線不是理想導體,存在一定的電阻;
  • 電感的磁芯存在一定的熱損耗;
  • 電感內部的導體之間存在著分布電容。

因此,需要用一個較為複雜的模型來表示實際電感,常用的等效模型如下:

等效模型形式可能不同,但要能體現損耗和分布電容。根據等效模型,可以定義實際電感的兩個重要參數。

自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

由於Cp的存在,與L一起構成了一個諧振電路,其諧振頻率便是電感的自諧振頻率。在自諧振頻率前,電感的阻抗隨著頻率增加而變大;在自諧振頻率後,電感的阻抗隨著頻率增加而變小,就呈現容性。

品質因素(Quality Factor)

也就是電感的Q值,電感儲存功率與損耗功率的比,Q值越高,電感的損耗越低,和電感的直流阻抗直接相關的參數。

自諧振頻率和Q值是高頻電感的關鍵參數

二、電感的工藝結構

電感的工藝大致可以分為3種:

2.1 繞線電感(Wire Wound Type)

顧名思義就是把銅線繞在一個磁芯上形成一個線圈,繞線的方式有兩種:

  • 圓柱形繞法(Round Wound)

圓柱形繞法很常見,應用也很廣,例如:

圖片來自Bing,彩虹圈,應該是出彩中國人

  • 平面形繞法(Flat Wound)

平面形繞法也很常見,大家一定見過一掰就斷的蚊香

圖片來自Bing,蚊香

平面形繞法優點很明顯,就是減小了器件的高度。

由前文的公式可知,磁芯的磁導率越大,電感值越大,磁芯可以是

  • 非磁性材料:例如空氣芯、陶瓷芯,貌似就不能叫磁芯了;這樣電感值較小,但是基本不存在飽和電流
  • 鐵磁性材料:例如鐵氧體、波莫合金等等;合金磁導率比鐵氧體大;鐵磁性材料存在磁飽和現象,有飽和電流。

繞線電感可提供大電流、高感值;磁芯磁導率越大,同樣的感值,繞線就少,繞線少就能降低直流電阻;同樣的尺寸,繞線少可以繞粗,提高電流。

另外,電源設計中,經常遇到電感嘯叫的問題,本質就是磁場的變化引起了導體,也就是線圈的振動,振動的頻率剛好在音頻範圍內,人耳就可以聽見,合金一體成型電感,比較牢固,可以減少振動。

2.2 多層片狀電感(MultilayerType)

多層片狀電感的製作工藝:將鐵氧體或陶瓷漿料乾燥成型,交替印刷導電漿料,最後疊層、燒結成一體化結構(Monolithic)。

引自The Wonders of Electromagnetism

多層片狀電感的比繞線電感尺寸小,標準化封裝,適合自動化高密度貼裝;一體化結構,可靠性高,耐熱性好。

引申閱讀:搜索關鍵詞LTCC、Thick Film

2.3 薄膜電感(Thin FilmType)

薄膜電感採用的是類似於IC製作的工藝,在基底上鍍一層導體膜,然後採用光刻工藝形成線圈,最後增加介質層、絕緣層、電極層,封裝成型。

薄膜器件的製作工藝,如下圖所示

本文作者翻譯,原圖出自The Wonders of Electromagnetism

本文作者翻譯,原圖出自The Wonders of Electromagnetism

光刻工藝的精度很高,製作出來的線條更窄、邊緣更清晰。因此,薄膜電感具有

  • 更小的尺寸,008004封裝

  • 更小的Value Step,0.1nH

  • 更小的容差,0.05nH

  • 更好的頻率穩定性

誰能告訴我Value Step如何翻譯才信達雅?

引申閱讀:

  • 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、電感的應用及選型

電感,從工藝技術上,領先的基本上是三大日系廠商:TDK、Murata、Taiyo Yuden。這三家的產品線完整,基本上可以滿足大多數需求。

三家都有相應的選型軟體,有電感、電容等所有系列的產品及相關參數曲線。

  • SEAT 2013 - TDK

  • Simsurfing - Murata

  • Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library

個人感覺TDK和Murata更領先一點,從官網的質量看出來的,像Coilcraft的官網就low一點,畢竟網站也是需要投資的。

在電路設計中,電感主要有三大類應用:

  • 功率電感:主要用於電壓轉換,常用的DCDC電路都要使用功率電感;
  • 去耦電感:主要用於濾除電源線或信號線上的雜訊,EMC工程師應該熟悉;
  • 高頻電感:主要用於射頻電路,實現偏置、匹配、濾波等電路。

3.1 功率電感

功率電感通常用於DCDC電路中,通過積累並釋放能量來保持連續的電流。

功率電感大都是繞線電感,可以提高大電流、高電感;

原圖出自Murata Chip Inductor Catalog

多層片狀功率電感也越來越多,通常電感值和電流都較低,優點是成本較低、體積超小,在手機等空間限制較大的產品中有較多應用。

原圖出自Murata Chip Inductor Catalog

功率電感需要根據所選的DCDC晶元來選型。通常,DCDC晶元的規格書上都有推薦的電感值,以及相關參數的計算,這裡不再贅述。從電感本身的角度來說明如何選型。

上圖截圖至TY-COMPAS

  • 電感值

通常應使用DCDC晶元規格書推薦的電感值;電感值越大,紋波越小,但尺寸會變大;通常提高開關頻率,可以使用小電感,但開關頻率提高會增加系統損耗,降低效率;

  • 額定電流

功率電感一般有兩個額定電流,即溫升電流和飽和電流;

當電感有電流通過的時候,由於損耗的存在,電感發熱而產生溫升,電流越大,溫升越大;在額定的溫度範圍內,允許的最大電流即為溫升電流。

增加磁芯的磁導率,可以提高電感值,通常使用鐵磁性材料做磁芯。鐵磁性材料存在磁飽和現象,即當磁場強度超過一定值時,磁感應強度不在增加,即磁導率下降了,也就是電感下降了。在額定電感值範圍內,允許的最大電流即為飽和電流。

磁滯回線:磁性材料-------鐵氧磁體,比重計,多孔性材料密度儀,液體密度計,固體顆粒體積測試儀,磁性材料密度儀

通常對DCDC電路設計,要計算峰值(PEAK)電流和均方根(RMS)電流,通常規格書中會給出計算公式。

溫升電流是對電感熱效應的評估,根據焦耳定律,熱效應需要考慮一段時間內的電流對時間的積分;選擇電感時,設計RMS電流不能超過電感溫升電流。

為了保證在設計範圍內電感值穩定,設計峰值電流不能超過電感的飽和電流。

為了提高可靠性,降額設計是必須的,通常建議工作值應降額到不高於額定值的80%。當然降額幅度過大會大幅提高成本,需要綜合考慮。

  • 直流電阻

電感的直流電阻會產生熱損耗,導致溫升,降低DCDC效率;因此,當對效率敏感時,應選擇直流阻抗低的電感,例如15毫歐。

還有就是根據產品的應用溫度要求、是否需要滿足RoHS、汽車級Q200等標準的要求、還有PCB結構限制。

大電流的應用,電感的漏磁就會相當可觀,會對周圍電路,例如CPU等造成影響。我之前就遇到過X86的CORE電的電感漏磁造成CPU無法啟動的現象。因此,大電流應用,應選擇屏蔽性能好的電感並且Layout時注意避開關鍵信號。

引申閱讀:Inductors for Power Lines

3.2 去耦電感

去耦電感也叫Choke,教科書上通常翻譯成扼流圈。去耦電感的作用是濾除線路上的干擾,屬於EMC器件,EMC工程師主要用來解決產品的輻射發射(RE)和傳導發射(CE)的測試問題。

去耦電感,通常結構比較簡單,大都是銅絲直接繞在鐵氧體環上。個人覺得可以分為差模電感和共模電感。這裡不再贅述共模和差模的概念。

差模電感

差模電感就是普通的繞線電感,用於濾除一些差模干擾,主要就是與電容一起構成LC濾波器,減小電源雜訊。

對於220V市電,差模干擾就是L相到N相之間的干擾;對POE來說,就是POE+和POE-之間的干擾;對於主板上的低壓直流電源,其實就是電源雜訊。

差模電感選型需要注意一下幾點:

? 直流電阻、額定電壓和電流,要滿足工作要求;

? 結構尺寸滿足產品要求;

? 通過測試確定雜訊的頻段,根據電感的阻抗曲線選擇電感;

? 設計LC濾波器,可以做簡單的計算和模擬。

磁珠(Ferrite Bead),也常用來濾除主板上的低壓直流電源的雜訊,但磁珠與去耦電感有區別的。

? 磁珠是鐵氧體材料燒制而成,高頻時鐵氧體的磁損耗(等效電阻)變得很大,高頻雜訊被轉化成熱能耗散了;

? 去耦電感是線圈和磁芯組成,主要是線圈電感起作用;

? 磁珠只能濾除較高頻的雜訊,低頻不起作用;

? 去耦電感可以繞製成較高感值,濾除低頻雜訊。

磁珠等效電路模型

引申閱讀:Understanding Ferrite Beads and Applications

引申閱讀:Ferrite Bead Inductors

共模電感

共模電感就是在同一個鐵氧體環上繞制兩個匝數相同、繞向相反的線圈。

如上圖所示的共模電感:

  • 當有共模成分流過共模電感時,根據右手定則,會在兩個線圈形成方向相同的磁場,相互加強,相當於對共模信號存在較高的感抗;

  • 當有差模成分流過共模電感時,根據右手定則,會在兩個線圈形成方向相反的磁場,相互抵消,相當於對差模信號存在較低的感抗。

換一個方式理解:當V+上流過一個頻率的共模干擾,形成的交變磁場,會在另一個線圈上形成一個感應電流,根據左手定則,感應電流的方向與V-上共模干擾的方向相反,就抵消了一部分,減小了共模干擾。

共模電感主要用於雙線或者差分系統,如220V市電、CAN匯流排、USB信號、HDMI信號等等。用於濾除共模干擾,同時有用的差分信號衰減較小。

共模電感選型需要注意一下幾點:

  • 直流阻抗要低,不能對電壓或有用信號產生較大影響;

  • 用於電源線的話,要考慮額定電壓和電流,滿足工作要求;

  • 通過測試確定共模干擾的頻段,在該頻段內共模阻抗應該較高;

  • 差模阻抗要小,不能對差分信號的質量產生較大影響;

  • 考慮封裝尺寸,做兼容性設計。例如用於USB信號的共模電感,選擇封裝可以與兩個0402的電阻做兼容,不需要共模電感時,可以直接焊0402電阻,降低成本。

下圖是某共模電感的共模阻抗和差模阻抗。

如果共模干擾頻率在10MHz左右,濾波效果很好,但如果是100kHz,可能就沒什麼效果。如果差分信號速率較高,100M以上,可能就會影響信號質量。

引申閱讀:Common mode choke coils

3.3 高頻電感

高頻電感主要應用於手機、無線路由器等產品的射頻電路中,從100MHz到6GHz都有應用。

高頻電感在射頻電路中主要有以下幾種作用:

  • 匹配(Matching):與電容一起組成匹配網路,消除器件與傳輸線之間的阻抗失配,減小反射和損耗;

  • 濾波(Filter):與電容一起組成LC濾波器,濾出一些不想要的頻率成分,防止干擾器件工作;

  • 隔離交流(Choke):在PA等有源射頻電路中,將射頻信號與直流偏置和直流電源隔離;

  • 諧振(Resonance):與電容一起構成LC振蕩電路,作為VCO的振蕩源;

  • 巴侖(Balun):即平衡不平衡轉換,與電容一起構成LC巴侖,實現單端射頻信號與差分信號之間的轉換。

之前介紹的三種結構,都可以用來製作高頻電感,下面介紹下他們的特點:

多層型

多層型通過燒結,形成一個整體結構,或叫獨石型(Monolithic)

原圖出自Murata Chip Inductor Catalog

多層片狀電感的,相比於其他兩種就是Q值最低,最大的優勢就是成本低,性價比高,適合於大多數沒有特殊要求的應用。TDK和Taiyo Yuden的高頻電感都只有多層型,沒有繞線型和薄膜型。

TDK的MLK系列、Murata的LQG系列、Taiyo Yuden的HK系列,這三個系列的產品基本一樣,最便宜,性價比高。

當然隨著工藝技術的提升,現在也有高Q值系列的多層片狀電感,例如TDK的MHQ系列、太陽誘電的HKQ系列。

TDK的多層電感做的更好更全,還有一個MLG系列,有0402封裝,感值可以做0.3nH,Value Step0.1nH,容差0.1nH,接近薄膜電感的性能,價格還便宜。

繞線型

現在的工藝水平已經越來越高,繞線電感也可以做到0402封裝。

原圖出自Murata Chip Inductor Catalog

繞線型工藝,其導線可以做到比多層和薄膜結構粗,因此可以獲得極低的直流電阻。也意味著極高的Q值,同時可以支持較大的電流。將無磁性的陶瓷芯換成鐵氧體磁芯,可以得到較高的感值,可以應用與中頻。

Murata的LQW系列可以做到03015封裝,最小感值1.1nH;Coilcraft的0201DS系列,可以做到0201封裝,號稱世界上最小的繞線電感。

薄膜型

採用光刻工藝,工藝精度極高,因此電感值可以做到很小,尺寸也可以做到很小,精度高,感值穩定,Q值較高。

原圖出自Murata Chip Inductor Catalog

Murata的LQP系列,可以做到01005封裝,高精度產品的容差可以做到0.05nH,最小感值可以到0.1nH,這三個參數值可以說是當前電感的極限了。其他,像Abracon的ATFC-0201HQ系列也可以做到最小0.1nH。

Murata有三種工藝的高頻電感,選擇了同感值(1.5nH)、同封裝、同容差的電感對比。

可以看出繞線型的Q值明顯高於其他兩種,而薄膜型的電感值的頻率穩定性高於其他兩種。當然,多層型的成本明顯低於其他兩種。

選擇高頻電感時,除了需要確定電感值、額定電流、工作溫度、封裝尺寸外,還要關注自諧振頻率、Q值、電感值容差、電感值頻率穩定性。

電感值通常需要根據模擬、實際調試或者參考設計來確定。大多數情況,多層片狀高頻電感已能滿足要求,一些特殊場合可能需要關註:

  • 電感值較大,自諧振頻率較低,需要注意工作頻率應遠低於自諧振頻率。
  • 大功率射頻設備,PA偏置電流較大,需要選擇繞線型以滿足電流要求;同時大功率設備溫升較高,需要考慮工作溫度;

  • 對於一些寬頻設備,需要電感值在帶寬內穩定,那麼應選擇薄膜電感;
  • 對於高精度的VCO電路中,作為LC諧振源,只有薄膜電感能提高0.05nH的容差;

  • 像手機、穿戴式設備,尺寸可能是最關鍵的因素,薄膜電感可能是比較好的選擇。

有一些高頻電感具有方向性,貼片安裝的方向對電感值有一定影響,如下圖所示:

引自Why is there a direction mark on inductors?

可以看出,標記點朝側面,感值變化較大,所以貼片時應注意讓電感上的標記點朝上。

另外,Layout時,應注意兩個電感不能緊鄰著放置,至少距離20mil以上。原因就是磁場會相互影響,從而影響感值,參考前文共模電感示意圖。

引申閱讀:

  • RF Inductors

  • 選擇射頻電感的關鍵參數

結語:選型要清楚器件的原理和應用,綜合考慮成本、降額、兼容性等多種因素。

——————————————————本文完——————————————————

V1.0_2016.08.04


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