硬件設(shè)計(jì) | 電感篇
[導(dǎo)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(yīng)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(xué)三大基本無源器件，電感的功能就是以磁場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存電能量。以圓柱型線圈為例，簡(jiǎn)單介紹下電感的基本原理：如上圖所示，當(dāng)恒定電流流過線圈時(shí)，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(yīng)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(jiǎn)單介紹下電感的基本原理：如上圖所示，當(dāng)恒定電流流過線圈時(shí)，根據(jù)右手螺旋定則，會(huì)形成一個(gè)圖示方向的靜磁場(chǎng)。而電感中流過交變電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就是交變磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，線圈上就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生感應(yīng)電流：
實(shí)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(gòu)成了一個(gè)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(xiàn)容性。
品質(zhì)因素也就是電感的Q值，電感儲(chǔ)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(guān)的參數(shù)。自諧振頻率和Q值是高頻電感的關(guān)鍵參數(shù)！
02電感的工藝結(jié)構(gòu)
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(gè)磁芯上形成一個(gè)線圈，繞線的方式有兩種：圓柱形繞法圓柱形繞法很常見，應(yīng)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(diǎn)很明顯，就是減小了器件的高度。
由公式可知，磁芯的磁導(dǎo)率越大，電感值越大，磁芯可以是：
另外，在電源設(shè)計(jì)中，經(jīng)常遇到電感嘯叫的問題，本質(zhì)就是磁場(chǎng)的變化引起了導(dǎo)體，也就是線圈的振動(dòng)，振動(dòng)的頻率剛好在音頻范圍內(nèi)，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(dòng)。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(dǎo)電漿料，最后疊層、燒結(jié)成一體化結(jié)構(gòu)。多層片狀電感的比繞線電感尺寸小，標(biāo)準(zhǔn)化封裝，適合自動(dòng)化高密度貼裝；一體化結(jié)構(gòu)，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(dǎo)體膜，然后采用光刻工藝形成線圈，最后增加介質(zhì)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(yīng)用及選型
電感，從工藝技術(shù)上，領(lǐng)先的基本上是三大日系廠商：TDK、Murata、Taiyo Yuden。這三家的產(chǎn)品線完整，基本上可以滿足大多數(shù)需求。三家都有相應(yīng)的選型軟件，有電感、電容等所有系列的產(chǎn)品及相關(guān)參數(shù)曲線。
01電感的基本原理
電感、電容和電阻是電子學(xué)三大基本無源器件，電感的功能就是以磁場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存電能量。
以圓柱型線圈為例，簡(jiǎn)單介紹下電感的基本原理：如上圖所示，當(dāng)恒定電流流過線圈時(shí)，根據(jù)右手螺旋定則，會(huì)形成一個(gè)圖示方向的靜磁場(chǎng)。而電感中流過交變電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就是交變磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，線圈上就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生感應(yīng)電流：- 電流變大時(shí)，磁場(chǎng)變強(qiáng)，磁場(chǎng)變化的方向與原磁場(chǎng)方向相同，根據(jù)左手螺旋定則，產(chǎn)生的感應(yīng)電流與原電流方向相反，電感電流減??；
- 電流變小時(shí)，磁場(chǎng)變?nèi)?，磁?chǎng)變化的方向與原磁場(chǎng)方向相反，根據(jù)左手螺旋定則，產(chǎn)生的感應(yīng)電流與原電流方向相同，電感電流變大。
實(shí)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(dǎo)線不是理想導(dǎo)體，存在一定的電阻；
- 電感的磁芯存在一定的熱損耗；
- 電感內(nèi)部的導(dǎo)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(gòu)成了一個(gè)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(xiàn)容性。
品質(zhì)因素也就是電感的Q值，電感儲(chǔ)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(guān)的參數(shù)。自諧振頻率和Q值是高頻電感的關(guān)鍵參數(shù)！
02電感的工藝結(jié)構(gòu)
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(gè)磁芯上形成一個(gè)線圈，繞線的方式有兩種：圓柱形繞法圓柱形繞法很常見，應(yīng)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(diǎn)很明顯，就是減小了器件的高度。
由公式可知，磁芯的磁導(dǎo)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(dǎo)率比鐵氧體大；鐵磁性材料存在磁飽和現(xiàn)象，有飽和電流。
另外，在電源設(shè)計(jì)中，經(jīng)常遇到電感嘯叫的問題，本質(zhì)就是磁場(chǎng)的變化引起了導(dǎo)體，也就是線圈的振動(dòng)，振動(dòng)的頻率剛好在音頻范圍內(nèi)，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(dòng)。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(dǎo)電漿料，最后疊層、燒結(jié)成一體化結(jié)構(gòu)。多層片狀電感的比繞線電感尺寸小，標(biāo)準(zhǔn)化封裝，適合自動(dòng)化高密度貼裝；一體化結(jié)構(gòu)，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(dǎo)體膜，然后采用光刻工藝形成線圈，最后增加介質(zhì)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(yīng)用及選型
電感，從工藝技術(shù)上，領(lǐng)先的基本上是三大日系廠商：TDK、Murata、Taiyo Yuden。這三家的產(chǎn)品線完整，基本上可以滿足大多數(shù)需求。三家都有相應(yīng)的選型軟件，有電感、電容等所有系列的產(chǎn)品及相關(guān)參數(shù)曲線。
- SEAT 2013 - TDK；
- Simsurfing - Murata；
- Taiyo Yuden Components Selection Guide
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