电感分类及选型

一 电感的基本原理一 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 磁感应强度不在增加 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 磁滞回线 磁性材料 铁氧磁体 比重计 多孔性材料密度仪 液体密度计 固体颗粒体积测试仪 磁性材料密度仪 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 引申阅读 Inductors for Power Lines 3 2 去耦电感去耦电感 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 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 引申阅读 Understanding Ferrite Beads and Applications 引申阅读 Ferrite Bead Inductors 共模电感共模电感 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 引申阅读 Common mode choke coils 3 3 高频电感高频电感 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 多层片状电感的 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