电子设计基础关键元器件篇(三)：电感 _(电子发烧友)

电子设计基础关键元器件篇 三 电感电子设计基础关键元器件篇 三 电感 转自电子发烧友 20140530 电感 当线圈通过电流后 在线圈中形成磁场感应 感应磁场又会产生感应 电流来抵制通过线圈中的电流 我们把这种电流与线圈的相互作用关系称其为 电的感抗 也就是电感 单位是 亨利 H 电感线圈是由导线一圈靠一圈地绕在绝缘管上 导线彼此互相绝缘 而绝 缘管可以是空心的 也可以包含铁芯或磁粉芯 简称电感 用 L 表示 单位有 亨利 H 毫亨利 mH 微亨利 uH 1H 10 3mH 10 6uH 一 电感器的作用与电路图形符号 一 电感器的电路图形符号 电感器是用漆包线 纱包线或塑皮线等在绝缘骨架或磁心 铁心上绕制成 的一组串联的同轴线匝 它在电路中用字母 L 表示 上图是其电路图形符号 下图是实物图 二 电感器的作用 电感器的主要作用是对交流信号进行隔离 滤波或与电容器 电阻器等组 成谐 二 电感器的结构与特点 电感器一般由骨架 绕组 屏蔽罩 封装材料 磁芯或铁芯等组成 1 骨架 骨架泛指绕制线圈的支架 一些体积较大的固定式电感器或可调 式电感器 如振荡线圈 阻流圈等 大多数是将漆包线 或纱包线 环绕在 骨架上 再将磁芯或铜芯 铜芯等装入骨架的内腔 以提高其电感量 骨架通常是采用塑料 胶木 陶瓷制成 根据实际需要可以制成不同的形 状 小型电感器 例如色码电感器 一般不使用骨架 而是直接将漆包线绕在 磁芯上 空心电感器 也称脱胎线圈或空心线圈 多用于高频电路中 不用磁芯 骨架和屏蔽罩等 而是先在模具上绕好后再脱去模具 并将线圈各圈之间拉开 一定距离 2 绕组 绕组是指具有规定功能的一组线圈 它是电感器的基本组成部分 绕组有单层和多层之分 单层绕组又有密绕 绕制时导线一圈挨一圈 和 间绕 绕制时每圈导线之间均隔一定的距离 两种形式 多层绕组有分层平绕 乱绕 蜂房式绕法等多种 3 磁芯与磁棒 磁芯与磁棒一般采用镍锌铁氧体 NX 系列 或锰锌铁氧体 MX 系列 等材料 它 有 工 字形 柱形 帽形 E 形 罐形等多种形状 如右图所示 4 铁芯 铁芯材料主要有硅钢片 坡莫合金等 其外形多为 E 型 5 屏蔽罩 为避免有些电感器在工作时产生的磁场影响其它电路及元器件 正常工作 就为其增加了金属屏幕罩 例如半导体收音机的振荡线圈等 采 用屏蔽罩的电感器 会增加线圈的损耗 使 Q 值降低 6 封装材料 有些电感器 如色码电感器 色环电感器等 绕制好后 用 封装材料将线圈和磁芯等密封起来 封装材料采用塑料或环氧树脂等 三 电感器的种类 按结构分类 电感器按其结构的不同可分为线绕式电感器和非线绕式电感器 多层片状 印刷电感等 还可分为固定式电感器和可调式电感器 按贴装方式分 有贴片式电感器 插件式电感器 同时对电感器有外部屏 蔽的成为屏蔽电感器 线圈裸露点一般称为非屏蔽电感器 固定式电感器又分 为空心电感器 磁芯电感器 铁心电感器等 根据其结构外形和引脚方式还可 分为立式同向引脚电感器 卧式轴向引脚电感器 大中型电感器 小巧玲珑型 电感器和片状电感器等 可调式电感器又分为磁心可调电感器 铜心可调电感器 滑动接点可调电 感器 串联互感可调电感器和多抽头可调电感器 按工作频率分类 电感按工作频率可分为高频电感器 中频电感器和低频电感器 空心电感器 磁心电感器和铜心电感器一般为中频或高频电感器 而铁心 电感器多数为低频电感器 按用途分类 电感器按用途可分为振荡电感器 校正电感器 显像管偏转电感器 阻流 电感器 滤波电感器 隔离电感电感器 被偿电感器等 振荡电感器又分为电视机行振荡线圈 东西枕形校正线圈等 显像管偏转电感器分为行偏转线圈和场偏转线圈 阻流电感器 也称阻流圈 分为高频阻流圈 低频阻流圈 电子镇流器用 阻流圈 电视机行频阻流圈和电视机场频阻流圈等 滤波电感器分为电源 工频 滤波电感器和高频滤波电感器等 四 电感线圈的主要特性参数 电感器的主要参数有电感量 允许偏差 品质因数 分布电容及额定电流 等 1 电感量 L 电感量也称自感系数 是表示电感器产生自感应能力的一个物理量 环形电感电感量 L 表示线圈本身固有特性 与电流大小无关 除专门的电 感线圈 色码电感 外 电感量一般不专门标注在线圈上 而以特定的名称标 注 电感器电感量的大小 主要取决于线圈的圈数 匝数 绕制方式 有无 磁心及磁心的材料等等 通常 线圈圈数越多 绕制的线圈越密集 电感量就 越大 有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大 磁心导磁率越大的线圈 电感 量也越大 电感量的基本单位是亨利 简称亨 用字母 H 表示 常用的单位还有 毫亨 mH 和微亨 H 它们之间的关系是 1H 1000mH 1mH 1000 H 2 感抗 XL 电感线圈对交流电流阻碍作用的大小称感抗 XL 单位是欧姆 它与电感量 L 和交流电频率 f 的关系为 XL 2 fL 3 允许偏差 允许偏差是指电感器上标称的电感量与实际电感的允许误差值 一般用于振荡或滤波等电路中的电感器要求精度较高 允许偏差为 0 2 0 5 而用于耦合 高频阻流等线圈的精度要求不高 允许偏差为 10 15 4 品质因素 Q 品质因素 Q 是表示线圈质量的一个物理量 Q 为感抗 XL 与其等效的电阻 的比值 即 Q XL R 线圈的 Q 值愈高 回路的损耗愈小 线圈的 Q 值与导 线的直流电阻 骨架的介质损耗 屏蔽罩或铁芯引起的损耗 高频趋肤效应的 影响等因素有关 线圈的 Q 值通常为几十到几百 5 分布电容 线圈的匝与匝间 线圈与屏蔽罩间 线圈与底版间存在的电容被称为分布 电容 分布电容的存在使线圈的 Q 值减小 稳定性变差 因而线圈的分布电容 越小越好 6 额定电流 额定电流是指电感器有正常工作时反允许通过的最大电流值 若工作电流 超过额定电流 则电感器就会因发热而使性能参数发生改变 甚至还会因过流 而烧毁 环形电感 五 常用线圈 1 单层线圈 单层线圈是用绝缘导线一圈挨一圈地绕在纸筒或胶木骨架上 如晶体管收 音机中波天线线圈 2 蜂房式线圈 如果所绕制的线圈 其平面不与旋转面平行 而是相交成一定的角度 这 种线圈称为蜂房式线圈 而其旋转一周 导线来回弯折的次数 常称为折点数 蜂房式绕法的优点是体积小 分布电容小 而且电感量大 蜂房式线圈都是利 用蜂房绕线机来绕制 折点越多 分布电容越小 3 铁氧体磁芯和铁粉芯线圈 线圈的电感量大小与有无磁芯有关 在空芯线圈中插入铁氧体磁芯 可增 加电感量和提高线圈的品质因素 4 铜芯线圈 铜芯线圈在超短波范围应用较多 利用旋动铜芯在线圈中的位置来改变电 感量 这种调整比较方便 耐用 5 色码电感器 色码电感器是具有固定电感量的电感器 其电感量标志方法同电阻一样以 色环来标记 6 小型固定电感器 小型固定电感器通常是用漆包线在磁芯上直接绕制而成 主要用在滤波 振荡 陷波 延迟等电路中 它有密封式和非密封式两种封装形式 两种形式 又都有立式和卧式两种外形结构 1 立式密封固定电感器 立式密封固定电感器采用同向型引脚 国产电感 量范围为 0 1 2200 H 直标在外壳上 额定工作电流为 0 05 1 6A 误差范 围为 5 10 进口的电感量 电流量范围更大 误差则更小 进口有 TDK 系列色码电感器 其电感量用色点标在电感器表面 2 卧式密封固定电感器 卧式密封固定电感器采用轴向型引脚 国产有 LG1 LGA LGX 等系列 LG1 系列电感器的电感量范围为 0 1 22000 H 直标在外壳上 额定工 作电流为 0 05 1 6A 误差范围为 5 10 LGA 系列电感器采用超小型结构 外形与 1 2W 色环电阻器相似 其电感量 范围为 0 22 100 H 用色环标在外壳上 额定电流为 0 09 0 4A LGX 系列色码电感器也为小型封装结构 其电感量范围为 0 1 10000 H 额定电流分为 50mA 150mA 300mA 和 1 6A 四种规格 7 可调电感器 常用的可调电感器有半导体收音机用振荡线圈 电视机用行振荡线圈 行 线性线圈 中频陷波线圈 音响用频率补偿线圈 阻波线圈等 如下图所示 可调电感器 1 半导体收音机用振荡线圈 此振荡线圈在半导体收音机中与可变电容 器等组成本机振荡电路 用来产生一个输入调谐电路接收的电台信号高出 465kHz 的本振信号 其外部为金属屏蔽罩 内部由尼龙衬架 工字形磁心 磁 帽及引脚座等构成 在工字磁心上有用高强度漆包线绕制的绕组 磁帽装在屏 蔽罩内的尼龙架上 可以上下旋转动 通过改变它与线圈的距离来改变线圈的 电感量 电视机中频陷波线圈的内部结构与振荡线圈相似 只是磁帽可调磁心 2 电视机用行振荡线圈 行振荡线圈用在早期的黑白电视机中 它与外 围的阻容元件及行振荡晶体管等组成自激振荡电路 三点式振荡器或间歇振荡 器 多谐振荡器 用来产生频率为 15625HZ 的的矩形脉冲电压信号 该线圈 的磁心中心有方孔 行同步调节旋钮直接插入方孔内 旋动行同步调节旋钮 即可改变磁心与线圈之间的相对距离 从而改变线圈的电感量 使行振荡频率 保持为 15625HZ 与自动频率控制电路 AFC 送入的行同步脉冲产生同步振荡 3 行线性线圈 行线性线圈是一种非线性磁饱和电感线圈 其电感量随 着电流的增大而减小 它一般串联在行偏转线圈回路中 利用其磁饱和特性 来补偿图像的线性畸变 行线性线圈是用漆包线在 工 字型铁氧体高频磁心或铁氧体磁棒上绕制 而成 线圈的旁边装有可调节的永久磁铁 通过改变永久磁铁与线圈的相对位 置来改变线圈电感量的大小 从而达到线性补偿的目的 8 偏转线圈 偏转线圈是电视机扫描电路输出级的负载 偏转线圈要求 偏转灵敏度高 磁场均匀 Q 值高 体积小 价格低 偏转线圈是电视机显像管的附属部件 它包括行偏转线圈和场偏转线圈 均套在显像管的管颈 锥体部位 上 用来控制电子束的扫描运动方向 行偏 转线圈控制电子束作水平方向扫描 场偏转线圈控制电子束作垂直方向扫描 右图是偏转线圈的外形及结构 偏转线圈外形 偏转线圈结构 9 阻流电感器 阻流电感器是指在电路中用以阻塞交流电流通路的电感线圈 它分为高频 阻流线圈和低频阻流线圈 1 高频阻流线圈 高频阻流线圈也称高频扼流线圈 它用来阻止高频交流 电流通过 高频阻流线圈工作在高频电路中 多用采空心或铁氧体高频磁心 骨架用 陶瓷材料或塑料制成 线圈采用蜂房式分段绕制或多层平绕分段绕制 2 低频阻流线圈 低频阻流线圈也称低频扼流圈 它应用于电流电路 音 频电路或场输出等电路 其作用是阻止低频交流电流通过 通常 将用在音频电路中的低频阻流线圈称为音频阻流圈 将用在场输出 电路中的低频阻流线圈称为场阻流圈 将用在电流滤波电路中的低频阻流线圈 称为滤波阻流圈 低频阻流圈一般采用 E 形硅钢片铁心 俗称矽钢片铁心 坡莫合金铁 心或铁淦氧磁心 为防止通过较大直流电流引起磁饱和 安装时在铁心中要留 有适当空隙 六 自感与互感 自感 当线圈中有电流通过时 线圈的周围就会产生磁场 当线圈中电流发生变 化时 其周围的磁场也产生相应的变化 此变化的磁场可使线圈自身产生感应 电动势 感生电动势 电动势用以表示有源元件理想电源的端电压 这就 是自感 互感 两个电感线圈相互靠近时 一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线 圈 这种影响就是互感 互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦 合的程度 利用此原理制成的元件叫做互感器 七 最小值与最大值 电感 L 的最小值由所需维持的最小负载电流的要求来决定 流过电感 L 的 电流分为连续和不连续两种工作情况 不管是哪种情况 只要是输入 输出电 压保持不变 则电流波形的斜率也不会因为负载电流的减小而改变 如果负载电流 I 逐渐减小 在电感 L 中的波动电流最小值刚好为零时 定义为临界电流 Ioc 则 Ioc 应等于电流峰一峰值的 半 即 Ioc 1 2 iL 当 Io Ioc 时 iL 将进人不连续状态 Io Ioc 时 iL 为连续状态 单端正激式转换器的闭环控制电路如图所示 图中 Cc 为去磁复位绕组 的 分布电容 连续状态的传递函数有两个极点 不连续状态的传递函数只有一个 极点 如果想在状态转换过程中都能稳定地工作 就必须要进行小心细致的设 计 单端正激式转换器的闭环控制电路 L 值的另一个限制因素将出现在应用于多组输出电压的情况 因为控制环 只与 个相关的输出端闭环 当此输出端电流低于临界值时 占空比将减少以 保持此输出端的电压不变 对于其他的辅助输出端 假定其所带的是恒定负载 在上述占空比下降的情况下 其电压也下降 很明显这不是所希望的 因此在 多组输出电压时 为了保持辅助输出电压不变 电感 L 的值应大于所需的最小 值 也就是说 如果辅助电压要保持在一定的波动范围内时 则主输出的电感 必须一直超过临界值 即一直在连续状态 电感的最大值一般受效率 体积和造价的限制 带直流电流运行的大电感 的造价是昂贵的 从 J 眭能上来看 电感 L 过大将使调节系统的反应速度减慢 因为过大的 L 在负载出现较大的瞬态变化时限制了输出电流的最大变化率 八 共模电感 一 初识共模电感 共模电感 Common mode Choke 也叫共模扼流圈 常用于电脑的开关电 源中过滤共模的电磁干扰信号 在板卡设计中 共模电感也是起 EMI 滤波的作 用 用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射 小知识 EMI Electro Magnetic Interference 电磁干扰 计算机内部的主板上混合了各种高频电路 数字电路和模拟电路 它们工 作时会产生大量高频电磁波互相干扰 这就是 EMI EMI 还会通过主板布线或外 接线缆向外发射 造成电磁辐射污染 不但影响其他的电子设备正常工作 还 对人体有害 PC 板卡上的芯片在工作过程中既是一个电磁干扰对象 也是一个电磁干扰 源 总的来说 我们可以把这些电磁干扰分成两类 串模干扰 差模干扰 与 共模干扰 接地干扰 以主板上的两条 PCB 走线 连接主板各元件的导线 为例 所谓串模干扰 指的是两条走线之间的干扰 而共模干扰则是两条走线 和 PCB 地线之间的电位差引起的干扰 串模干扰电流作用于两条信号线间 其传导方向与波形和信号电流一致 共模干扰电流作用在信号线路和地线之间 干扰电流在两条信号线上各流过二 分之一且同向 并以地线为公共回路 串模干扰和共模干扰 如果板卡产生的共模电流不经过衰减过滤 尤其是像 USB 和 IEEE 1394 接 口这种高速接口走线上的共模电流 那么共模干扰电流就很容易通过接口数 据线产生电磁辐射 在线缆中因共模电流而产生的共模辐射 美国 FCC 国际无 线电干扰特别委员会的 CISPR22 以及我国的 GB9254 等标准规范等都对信息技术 设备通信端口的共模传导干扰和辐射发射有相关的限制要求 为了消除信号线上输入的干扰信号及感应的各种干扰 我们必须合理安排 滤波电路来过滤共模和串模的干扰 共模电感就是滤波电路中的一个组成部分 共模电感实质上是一个双向滤波器 一方面要滤除信号线上共模电磁干扰 另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰 避免影响同一电磁环境下其他电 子设备的正常工作 上图是我们常见的共模电感的内部电路示意图 在实际电路设计中 还可 以采用多级共模电路来更好地滤除电磁干扰 此外 在主板上我们也能看到一 种贴片式的共模电感 其结构和功能与直立式共模电感几乎是一样的 二 从工作原理看共模电感 为什么共模电感能防 EMI 要弄清楚这点 我们需要从共模电感的结构开始 分析 共模电感滤波电路 上图是包含共模电感的滤波电路 La 和 Lb 就是共模电感线圈 这两个线 圈绕在同一铁芯上 匝数和相位都相同 绕制反向 这样 当电路中的正常 电流流经共模电感时 电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互 抵消 此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响 和少量因漏感造成的阻尼 当有共模电流流经线圈时 由于共模电流的同向性 会在线圈内产生同向的磁 场而增大线圈的感抗 使线圈表现为高阻抗 产生较强的阻尼效果 以此衰减 共模电流 达到滤波的目的 事实上 将这个滤波电路一端接干扰源 另一端接被干扰设备 则 La 和 C1 Lb 和 C2 就构成两组低通滤波器 可以使线路上的共模 EMI 信号被控制在 很低的电平上 该电路既可以抑制外部的 EMI 信号传入 又可以衰减线路自身 工作时产生的 EMI 信号 能有效地降低 EMI 干扰强度 小知识 漏感和差模电感 对理想的电感模型而言 当线圈绕完后 所有磁通都集中在线圈的中心内 但通常情况下环形线圈不会绕满一周 或绕制不紧密 这样会引起磁通的泄漏 共模电感有两个绕组 其间有相当大的间隙 这样就会产生磁通泄漏 并形成 差模电感 因此 共模电感一般也具有一定的差模干扰衰减能力 在滤波器的设计中 我们也可以利用漏感 如在普通的滤波器中 仅安装 一个共模电感 利用共模电感的漏感产生适量的差模电感 起到对差模电流的 抑制作用 有时 还要人为增加共模扼流圈的漏电感 提高差模电感量 以达 到更好的滤波效果 从看板卡整体设计看共模电感 在一些主板上 我们能看到共模电感 但是在大多数主板上 我们都会发 现省略了该元件 甚至有的连位置也没有预留 这样的主板 合格吗 不可否认 共模电感对主板高速接口的共模干扰有很好的抑制作用 能有 效避免 EMI 通过线缆形成电磁辐射影响其余外设的正常工作和我们的身体健康 但同时也需要指出 板卡的防 EMI 设计是一个相当庞大和系统化的工程 采用 共模电感的设计只是其中的一个小部分 高速接口处有共模电感设计的板卡 不见得整体防 EMI 设计就优秀 所以 从共模滤波电路我们只能看到板卡设计的一个方面 这一点容易被 大家忽略 犯下见木不见林的错误 只有了解了板卡整体的防 EMI 设计 我们 才可以评价板卡的优劣 那么 优秀的板卡设计在防 EMI 性能上一般都会做哪 些工作呢 主板 Layout 布线 设计 对优秀的主板布线设计而言 时钟走线大多会采用屏蔽措施或者靠近地线 以降低 EMI 对多层 PCB 设计 在相邻的 PCB 走线层会采用开环原则 导线从 一层到另一层 在设计上就会避免导线形成环状 如果走线构成闭环 就起到 了天线的作用 会增强 EMI 辐射强度 信号线的不等长同样会造成两条线路阻抗不平衡而形成共模干扰 因此 在板卡设计中都会将信号线以蛇形线方式处理使其阻抗尽可能的一致 减弱共 模干扰 同时 蛇形线在布线时也会最大限度地减小弯曲的摆幅 以减小环形 区域的面积 从而降低辐射强度 主板的蛇形布线 在高速 PCB 设计中 走线的长度一般都不会是时钟信号波长 1 4 的整数倍 否则会产生谐振 产生严重的 EMI 辐射 同时走线要保证回流路径最小而且通 畅 对去耦电容的设计来说 其设置要靠近电源管脚 并且电容的电源走线和 地线所包围的面积要尽可能地小 这样才能减小电源的波纹和噪声 降低 EMI 辐射 当然 上述只是 PCB 防 EMI 设计中的一小部分原则 主板的 Layout 设计是 一门非常复杂而精深的学问 甚至很多 DIYer 都有这样的共识 Layout 设计得 优秀与否 对主板的整体性能有着极为重大的影响 主板布线的划断 如果想将主板电路间的电磁干扰完全隔离 这是绝对不可能的 因为我们 没有办法将电磁干扰一个个地 包 起来 因此要采用其他办法来降低干扰的 程度 主板 PCB 中的金属导线是传递干扰电流的罪魁祸首 它像天线一样传递 和发射着电磁干扰信号 因此在合适的地方 截断 这些 天线 是有用的防 EMI 的方法 天线 断了 再以一圈绝缘体将其包围 它对外界的干扰自然就会大大 减小 如果在断开处使用滤波电容还可以更进一步降低电磁辐射泄露 这种设 计能明显地增加高频工作时的稳定性和防止 EMI 辐射的产生 许多大的主板厂 商在设计上都使用了该方法 电感的计算公式 加载其电感量按下式计算 线圈公式 阻抗 ohm 2 3 14159 F 工作频率 电感量 mH 设定需 用 360ohm 阻抗 因此