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干货|10种常用电感及常见作用……

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第2706期

电感器俗称电感,本质上是一个线圈,有空心线圈也有实心线圈,实心线圈有铁芯或者其它材料制成的芯,电感的单位是“H”,简称“亨”。此外,更小的单位是mH、uH,他们的换算方式为1H=1000mH=1000000uH。
电感是导线之内透过交流电流时,于导线的外部和四周产生交变磁通,导线的磁通量和生产此磁通的电流之比。当电感之中透过直流电流时,其四周仅呈现固定的磁力线,绝不随时间因而变化;不过如果于线圈之中透过交流电流时,其四周把呈现出随时间因而变化的磁力线。


图片


1、
常见作用


阻交通直
对于直流电,电感是相当于短路的;而对于交流电,电感是对其有阻碍作用的,交流电的频率越高,电感对它的阻碍作用越大。

变压器
对我们来说最熟悉的电感应用莫过于变压器了,如图所示的变压器电路符号。假如左侧线圈匝数为100,右侧匝数为50,如果左侧接220V交流电,那么右侧感应出来的电压为110V,即“匝数比=电压比”而电流却会截然相反;如果左侧流进1A电流,那么右侧会流出2A的电流,即“匝数比=电流的反比”,因为电感只会对电压、电流进行变化,而不能对功率进行变化,如果电压和电流都为正比显然是不合情理的。

RL低通滤波器
所谓低通滤波器是:低频信号可以通过,而高频信号不能通过,电路原理图如下图。输入信号如果是直流电,那么电感相当于一根导线;现在是短路,信号会经过电感,直接输出,而不经过电阻。如果我们逐渐升高电流的频率,由于电感对交流电有阻碍作用,通过电感的信号会慢慢变小,直到达到某一个频率,当高于这个频率之后的电流再也无法通过,这时候就形成了低通滤波器,这个频率就叫做截止频率,公式为 f=R/(2πL)。

RL高通滤波器
高通滤波器的道理和低通的类似,只不过电阻和电感的位置变了。如果是直流电,会经过电感流回去,这时候如果改变频率,当频率逐渐升高,由于电感对交流电的阻碍作用,当频率达到截止频率时,高频信号不经过电感,而直接把我们需要的高频信号输出。截止频率的计算也是 f=R/(2πL)。


2、常见电感

工字型电感
它的前身是挠线式贴片电感,工字型电感是它们的改良,挡板有效加强储能能力,改变EMI方向和大小,亦可降低RDC。它亦可说是讯号通讯电感跟POWER电感的一种妥协。
贴片式的工字型电感主要用于几百kHz至一两MHz的较小型电源切换,如数字相机的LED升压,ADSL…等等的较低频部份的讯号处理或POWER用途,它的Q值有20、30,做为讯号处理颇为适合;
RDC比挠线式贴片电感低,作为POWER也是十分好用,当然,很大颗的工字型电感,那肯定是POWER用途了。
工字型电感最大的缺点,仍是开磁路,有EMI的问题,另外,噪音的问题比挠线式贴片电感大。我个人认为,工字型电感肯定不是最佳化的结构,改良空间仍是十分大!
色环电感
色环电感是最简单的棒形电感的加工,主要是用作讯号处理。本身跟棒形电感的特性没有很大的差别,只是多了一些固定物和加上一些颜色方便分辨感值,因单价算是十分便宜,现时比较不注重体积,以及仍可用插件的电子产品,使用色环电感仍多。因为是插件式,而且太传统了,被时代淘汰是时间的早晚。

空芯电感
空心电感主要是讯号处理用途,用作共振、接收、发射….等等。空气可应用在甚高频的产品,故此很多变异要求不太高的产品仍在使用,因为空气不是固定线圈的最佳材料。故此,在要求越来越严格的产品趋势上发展有限!

环形线圈电感
环形线圈电感,是电感理论中很理想的形状,闭磁路很少EMI的问题。充分利用磁路,容易计算,几乎理论上的好处全归环形线圈电感。可是,有一个最大的缺点就是不好挠线,制程多用人工处理。
现在中国人多,女孩子眼明手细。不过,谁愿意让年轻活泼的女孩子浪费青春!早晚请不到人!用机器的话,环形挠线的竞争力仍有待做机械和电子控制的工程师来提升。环形线圈电感虽然是电感中很理想的形状,但因为主要是人工挠线,作为讯号处理,因为要求较高,所以比较少用,但很小很小的环形线圈电感,却仍是用量十分大,主要是用在高频、高感的通讯产品上。
环形线圈电感最大量的是用铁粉芯作材料,跟树脂等混在一起,使得Air gap均匀分布在铁粉芯内部,做电感的有一定的敏感度,当我们看到Air gap二字,就知道是用在power上。故此,铁粉芯环形线圈电感,是power电感最常用的一种,IDC可以达到20多安培。
我觉得环形线圈电感的改良空间是十分大的,不妨往这方向研发和思考。
铁粉芯环形线圈电感的优点是环形,但缺点亦是环形,我前面曾说,使用者最喜欢的形状是方形,故此,在妥协下环形线圈电感并不是最具优势。

贴片迭层高频电感
贴片迭层高频电感,其实就是空心电感特性完全相同,不过因为容易固定,可以小型化。
贴片迭层高频电感跟空心电感比较, 因为空气不是好的固定物,但空气的相对导磁率是一,在高频很好用。故此,找一些相对导磁率是一,又是很好的固定物,那不是很好。
事实,世间绝大部份的物质,对导磁率都是一,最便宜的就是石头,贴片迭层高频电感的材质就是石头,石头就是硅啦!三氧化二铝等等的材质,也是一样的用意啦。
总之,贴片迭层高频电感材质的目的,是可以做成积层贴片,方便印刷线路,我们不单不希望贴片迭层高频电感的材质有特性,我们希望它完全没有特性更佳,使得贴片迭层高频电感特性完全像空心线圈。而且因为能固定,所以变异很小很小,在制程上,因为迭层制程,更可以尽量小型化。Z=2*圆周率*频率*电感值 ,2和圆周率是常数,不管它们,相同的阻抗,频率越高,代表电感值可以越小, 现时通讯产品的频率就是越来越高,这代表感值需求越来越小。
感值越小,代表我们可以做得更小颗,更不用高导磁率的磁性材料,用空气、用石头就可以了。所以,贴片迭层高频电感的使用量一定会越来越多,这是人类发展的必然趋势。
贴片迭层高频电感跟贴片挠线式高频电感的比较,贴片迭层高频电感的Q值不够高,是最大的缺点,但我可以确定,现在市面上的贴片迭层高频电感Q值,肯定不是这产品的极限。故此,改善的空间仍是十分宽广。另外,因为高频产品的变异要求十分严格,所以,材质对温度的变化,也是台湾和中国贴片迭层高频电感,尚无法跟日系强烈对抗的重要原因!
唉! 那些大老板真不知是吃什么长大的,怎么说他们才会听!老是想着杀价!杀价只是竞争手段之一,为什么不想想看从技术去提升竞争力呢!
最后,因为感值会越来越小,精准度要求越来越高。
贴片迭层高频电感会取代贴片挠线式高频电感,南海十一郎预测,5年到10年后,贴片薄膜高频电感也会取代贴片迭层高频电感。研究和市场方向,要抓对啊!

磁棒电感
磁棒电感是空心电感的加强,电感值跟导磁率成正比,塞磁性材料进空心线圈、电感值、Q值…等等都会大为增加。好处就自己想象了,如果想不通,或者不想思考,要早点改行喔!磁棒电感是最简单、最基本的电感,30年到100年前,电感有什么应用,它就有什么应用,特性亦是如是。

SMD贴片功率电感
SMD贴片功率电感最主要是强调储能能力,以及LOSS要少。

穿心磁珠
穿心磁珠,就是阻抗器啦,电感是低通组件,可让低频通过,阻挡高频。


贴片磁珠
贴片磁珠就是穿心磁珠的下一代。

贴片高频变压器,插件高频变压器
高频变压器嘛,一般用于开关电源。

来源:电磁兼容之家
电源电路电磁兼容电子ADS理论材料储能控制
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首次发布时间:2025-04-06
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开关电源传导 EMI 问题基本技巧!

第2699期众所周知,开关电源是将功率半导体器件作为开关元件并通过周期性通断开关,控制开关元件的占空比来调整输出电压。但由于开关电源瞬态响应较差,易产生电磁干扰(EMI)信号,而这些EMI信号经过传导和辐射,不仅会污染电磁环境,还会对通信设备和电子仪器造成干扰。更重要的是,随着开关电源的体积越来越小、功率密度越来越大,EMI控制问题愈发成为限制其使用的关键因素。EMI为何如此重要?EMI全称为Electro Magnetic lnterference,是一种电子系统或分系统受非预期的电磁扰动造成的性能损害,其产生的条件和传播途径主要由干扰源、耦合途径、敏感设备三个基本要素组成。何为干扰源?顾名思义就是产生电磁干扰的源头。一般分为内部干扰源和外部干扰源,其中内部干扰源包括开关电路、整流电路的整流二极管、杂散参数,外部干扰源包括电源干扰和雷电干扰。那干扰源又是如何产生的?以开关电路为例,开关电路是开关电源的核心,同时也是主要干扰源之一,由开关管和高频变压器组成。简单地说,由于开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电容,其产生的du/dt具有较大幅度的脉冲,频带较宽且谐波丰富。当开关管负载为高频变压器初级线圈时属于感性负载,此时原来导通的开关管关断,(找元器件现货上唯样商城)高频变压器的漏感产生了反电势E=-Ldi/dt,其值与集电极的电流变化率成正比,与漏感成正比,迭加在关断电压上,形成关断电压尖峰,从而形成传导干扰。当然不止开关电路,上述提到的整流电路的整流二极管、杂散参数等都是导致EMI的重要原因。一直以来,设计中的电磁干扰(EMI)问题十分令人头疼,尤其是在汽车领域。为了尽可能的减小电磁干扰,设计人员通常会在设计原理图和绘制布局时,通过降低高di / dt的环路面积以及开关转换速率来减小噪声源。但是,有时无论布局和原理图的设计多么谨慎,仍然无法将传导EMI降低到所需的水平。这是因为噪声不仅取决于电路寄生参数,还与电流强度有关。另外,开关打开和关闭的动作会产生不连续的电流,这些不连续电流会在输入电容上产生电压纹波,从而增加EMI。因此,有必要采用一些其他方法来提高传导EMI的性能。本文主要讨论的是引入输入滤波器来滤除噪声,或增加屏蔽罩来锁住噪声。图1 EMI滤波器示意简图图1是一个简化的EMI滤波器,包括共模(CM)滤波器和差模(DM)滤波器。 通常,DM滤波器主要用于滤除小于30MHz的噪声(DM噪声),CM滤波器主要用于滤除30MHz至100MHz的噪声(CM噪声)。 但其实这两个滤波器对于整个频段的EMI噪声都有一定的抑制作用。图2显示了一个不带滤波器的输入引线噪声,包括正向噪声和负向噪声,并标注了这些噪声的峰值水平和平均水平。 其中,该被测系统主要采用芯片LMR14050SSQDDARQ1输出5V/5A,并给后续芯片TPS65263QRHBRQ1供电,同时输出1.5V/3A,3.3V/2A以及1.8V/2A。 这两个芯片都工作在2.2MHz的开关频率下。 另外,图中显示的传导EMI标准是CISPR25 Class 5(C5)。有关该系统的更多信息,请查阅应用笔记SNVA810。图2 C5标准下的噪声特性(无滤波器)图3显示了增加一个DM滤波器后的EMI结果。 从图中可以看出,DM滤波器衰减了中频段DM噪声(2MHz至30MHz)近35dBμV/ m。此外高频段噪声(30MHz至100MHz)也有所降低,但仍超过限制水平。这主要是因为DM滤波器对于高频段CM噪声的滤除能力有限。图3 C5标准下的噪声特性(带DM滤波器)图4显示了增加CM和DM滤波器后的噪声特性。 与图3相比,CM滤波器的增加降低了近20dBμV/ m的CM噪声。 并且EMI性能也通过了CISPR25 C5标准。图4 C5标准下的噪声特性(带CM和DM滤波器)图5显示了不同布局下带CM和DM滤波器的噪声特性,其中滤波器与图4相同。但与图4相比,整个频段的噪声增加了大约10dBμV/ m,高频噪声甚至还超出CISPR25 C5标准的平均值。图5 C5标准下的噪声特性(带CM和DM滤波器,不同布局)图4和图5之间噪声结果的不同主要是由于PCB布线差异所致,如图6所示。图5的布线中(图6的右侧),大面积覆铜(GND)包围着DM滤波器,并和Vin走线形成了一些寄生电容。 这些寄生电容为高频信号旁路滤波器提供了有效的低阻抗路径。 因此,为了最大限度地提高滤波器的性能,需要移除滤波器周围所有的覆铜,如图6左侧的布线。图6 不同的PCB布线除了增加滤波器外,另一种优化EMI性能的有效方法是增加屏蔽罩。 这是因为连接着GND的金属屏蔽罩可以阻止噪声向外辐射。 图7推荐了一种屏蔽罩的摆放方法。该屏蔽罩恰好覆盖了板上所有的元器件。图8显示了增加滤波器和屏蔽罩之后的EMI结果。 如图所示,整个频段的噪声几乎都被屏蔽罩消除,EMI性能非常好。 这主要是因为等效为天线的长输入引线会耦合大量辐射噪声,而屏蔽罩恰好隔绝了它们。在本设计中,中频噪声也会采用这种方式耦合到输入引线上。图7 带屏蔽罩的PCB 3D模型图8 C5标准下的噪声特性(带CM,DM滤波器以及屏蔽罩)图9也显示了带滤波器和屏蔽罩的噪声特性。与图8 不同的是,图9中屏蔽罩是一个金属盒,它包裹了整个电路板,且只有输入引线裸 露在外面。 虽然有了这个屏蔽罩,但一些辐射噪声仍然可以绕过EMI滤波器并耦合到PCB上的电源线,这将会导致比图8更差的噪声特性。有趣的是,图4,图8和图9中(相同的布局布线)高频带的噪声特性几乎相同。 这是因为在增加EMI滤波器后,能耦合到输入线上的高频段辐射噪声几乎已经不存在了。任何的导体在测试EMI时都会有天线效应,因此建议使用客户量产所用的线材,包括输入线材与输出线材(不同的线材会有些许的差异),而散热片一般会下地(或一参考电位),外面有铝壳或金属导体时也要下地,避免导体因电场或磁场效应而产生干扰,成品的组件组装上也需注意是否有远离干扰源,任何导体经过磁性组件周边时也要注意磁性组件漏磁通所带来的干扰。现代电力电子系统通常在开关模式下工作,产生了较大的电磁干扰(EMI),EMI问题一直是电力电子工程师头疼的问题,解决EMI问题是一项既困难又耗时的工作,本文将介绍EMI是如何产生、传播以及如何优化解决。常见缩略语:● EMC(Electromagnetic Compatibility):电磁兼容性● EMI(Electromagnetic Interference):电磁干扰● EMS(Electromagnetic Susceptibility):电磁抗扰度● IEC(International Electrotechnical Commission):国际电工委员会● FCC(Federal Communication Commission):美国联邦通信委员会● CISPR:国际无线电干扰特别委员会● CE:字母“CE”是法文句子的缩写,意指欧盟● CCC(China Compulsory Certificate):中国强制性产品认证制度,又称3C认证。电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰能力,电磁兼容(EMC)包含电磁干扰(EMI)和电磁抗扰度(EMS)。来源:电磁兼容之家

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