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[弱电] 电感选取方法

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发表于 2020-9-11 18:09:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
  器件选型是硬件工程师的基本工作,本文主要从电感的工艺和应用出发,介绍电感如何选型。
  1、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:

      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。
  2、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(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(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)。
  引自The Wonders of Electromagnetism
  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。
  2.3  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。

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