硬件設計 | 電感篇
[導讀]注|文末留言有福利器件選型是硬件工程師的基本工作,本文主要從電感的工藝和應用出發(fā),介紹電感如何選型。01電感的基本原理電感、電容和電阻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,當恒定電流流過線圈時,根...
注 | 文末留言有福利器件選型是硬件工程師的基本工作,本文主要從電感的工藝和應用出發(fā),介紹電感如何選型。
01電感的基本原理
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,當恒定電流流過線圈時,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:
實際電感的特性不僅僅有電感的作用,還有其他因素,如:
自諧振頻率由于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;在自諧振頻率后,電感的阻抗隨著頻率增加而變小,就呈現容性。
品質因素也就是電感的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!
02電感的工藝結構
電感的工藝大致可以分為3種:01繞線電感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:圓柱形繞法圓柱形繞法很常見,應用也很廣,例如:圖片來自Bing平面形繞法平面形繞法也很常見,大家一定見過一掰就斷的蚊香。平面形繞法優(yōu)點很明顯,就是減小了器件的高度。
由公式可知,磁芯的磁導率越大,電感值越大,磁芯可以是:
另外,在電源設計中,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范圍內,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。02多層片狀電感多層片狀電感的制作工藝:將鐵氧體或陶瓷漿料干燥成型,交替印刷導電漿料,最后疊層、燒結成一體化結構。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。03薄膜電感薄膜電感采用的是類似IC制作的工藝,在基底上鍍一層導體膜,然后采用光刻工藝形成線圈,最后增加介質層、絕緣層、電極層,封裝成型。薄膜器件的制作工藝,如下圖所示:光刻工藝的精度很高,制作出來的線條更窄、邊緣更清晰,因此,薄膜電感具有:
03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件,有電感、電容等所有系列的產品及相關參數曲線。
01電感的基本原理
電感、電容和電阻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,當恒定電流流過線圈時,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?。?/span>
- 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。
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。
自諧振頻率由于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;在自諧振頻率后,電感的阻抗隨著頻率增加而變小,就呈現容性。
品質因素也就是電感的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!
02電感的工藝結構
電感的工藝大致可以分為3種:01繞線電感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:圓柱形繞法圓柱形繞法很常見,應用也很廣,例如:圖片來自Bing平面形繞法平面形繞法也很常見,大家一定見過一掰就斷的蚊香。平面形繞法優(yōu)點很明顯,就是減小了器件的高度。
由公式可知,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。
另外,在電源設計中,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范圍內,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。02多層片狀電感多層片狀電感的制作工藝:將鐵氧體或陶瓷漿料干燥成型,交替印刷導電漿料,最后疊層、燒結成一體化結構。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。03薄膜電感薄膜電感采用的是類似IC制作的工藝,在基底上鍍一層導體膜,然后采用光刻工藝形成線圈,最后增加介質層、絕緣層、電極層,封裝成型。薄膜器件的制作工藝,如下圖所示:光刻工藝的精度很高,制作出來的線條更窄、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(wěn)定性。
03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件,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





