电感作为三大被动器件之一,就功能而言,是一种电磁感应组件,也称为扼流器、电抗器、动态电抗器、线圈、扼流圈等,其主要功能是储蓄电能,线圈内电流产生磁场,该磁场再产生电流,可将电能转化为磁能存储起来,从而保证电压稳定。还有整理和筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰(EMI静噪滤波器)等功能。电感是一种重要的电子元件,它在电路设计中扮演着至关重要的角色。
当电流通过线圈时,就会产生磁场,从而在线圈中存储磁能。电感的充电和放电过程就是磁场储存和释放的过程。电感的感值大小与线圈的匝数、线圈的面积以及周围环境的磁导率有关。一般来说,线圈的匝数越多,线圈的面积越大,周围的磁导率越高,电感的感值就越大。
电感器的结构类似于诸侯快讯手机版,但只有一个绕组,其外形由电线一圈圈缠绕而成,一般由骨架、绕组、屏蔽罩、封装材料、磁芯或铁心等组成,电感的工作原理为当导线内通过交流电时,导线内部及周围产生交变磁通,从而起到“通直流、阻交流”的作用,由楞次定律可知该磁力线会阻止原本磁力线的变化,电感的作用与电容相反,常与电容在一起,组成LC滤波电路等。如果电感器在没有电流通过的状态下,电路接通时它将试图阻碍电流流过它;如果电感器在有电流通过的状态下,电路断开时它将试图维持电流不变。所以具有滤波、振荡、延迟、陷波等功能,还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用。它与电阻器或电容器能组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等,应用非常广泛。
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:
电感器电感量的大小,主要取决于线圈的圈数(匝数)、绕制方式、有无磁芯及磁芯的材料等。通常,线圈圆数越多绕制的线圈越密集电感量就越大。有磁芯的线圈比无磁芯线圈电感量大磁芯导磁率越大的线圈,电感量也越大。
电感量的基本单位是亨利(简称亨)用字母H表示。
6、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。
允许偏差是指电感器上标称的电感量与实际电感的允许误差值。
一般用于振荡或滤波等电路中的电感器要求精度较高,允许偏差为±0.2%~±0.5%而用于耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高,允许偏差为±10%~±15%。
理想电感的阻抗随着频率增加而增加,然而实际电感由于寄生电容和寄生电阻的存在,在一定频率下呈现感性,超过一定频率呈容性,阻抗反而随着频率的增加而减小,这个频率就是转折频率。
12、居里温度
居里温度是铁芯的一个重要参数,超过此温度铁氧体磁芯将失去磁性。因此要注意电感的工作温度不能超过铁芯的居里温度。铁芯的磁导率一般在接近居里温度时会急速上升,因而电感值亦上升,居里温度导磁率降至很低,因而使电感值急速下降,当导磁率下降至室温下的10%时,其温度称之为居里温度。
13、测试频率
测试频率用来测量电感的电感值或Q值的频率,工业上常用的测试频率包括:1KHz、79.6KHz、252KHz、796KHz、2.52MHz、7.96MHz、25.2MHz、50MHz,现在的趋势是根据客户的使用频率作为测试频率。
14、铁芯损失(core loss)
铁芯损失,简称铁损,主要由涡流损与磁滞损造成。涡流损大小主要是看铁芯材料是否容易「导电」;若导电率高,即电阻率低,涡流损就高,如铁氧体的电阻率高,其涡流损就相对地低。涡流损也与频率有关,频率愈高,涡流损愈大,因此铁芯材料会决定铁芯适当的工作频率。一般而言,铁粉芯的工作频率可到1MHz,而铁氧体的工作频率则可到10MHz。若工作频率超过此频率,则涡流损会快速增加,铁芯温度也会提高。然而,随着铁芯材料日新月异,更高工作频率的铁芯应是指日可待。
另一个铁损是磁滞损,其与磁滞曲线所围之面积成正比,即与电流交流成分的摆动(swing)幅度有关;交流摆幅愈大,磁滞损也愈大。
在电感器之等效电路中,常用一个并联于电感的电阻来表示铁损。当频率等于SRF时,电感抗和电容抗抵消,等效电抗为零,此时电感器之阻抗即等效于此铁损电阻串联绕线电阻,且铁损电阻已远大于绕线电阻,所以在SRF时的阻抗就约等于铁损电阻。以一低压电感为例,其铁损电阻约在20kΩ左右,若以电感两端的有效值电压5V来估算,其铁损约为1.25mW,这也说明了铁损电阻愈大愈好。
15、封装结构(shield structure)
铁氧体电感的封装结构有非遮蔽式、加磁胶之半遮蔽式、与遮蔽式,而不论哪一种都存在相当的空气隙。显然此空气隙会有漏磁发生,且最坏的情况是会干扰周遭之小信号电路,或者,如果附近有导磁材料,其电感值也因此被改变。另一种封装结构为冲压式铁粉电感,由于电感内部没有间隙,且绕组结构扎实,因此磁场散逸问题较小。图10是利用RTO 1004示波器之FFT功能量测冲压式电感上方及侧边3mm处之漏磁场大小。表4列出不同封装结构电感的漏磁场大小比较,可看出非遮蔽式(non-shielded)电感之漏磁最严重;冲压式(molded)电感的漏磁最小。这两种结构的电感之漏磁场大小相差约14dB,也就是将近5倍。
16、耦合(coupling)
在一些应用当中,有时PCB上会有多组直流转换器,通常会相邻排列,且其对应之电感器也会相邻排列的情况,如果使用非遮蔽式或加磁胶之半遮蔽式的电感器,可能会相互耦合,形成EMI干扰。因此,在放置电感时,建议先标注电感的极性,将电感最内层之起绕点接到转换器之切换电压,如降压转换器的VSW,即动点,而将电感之外层出线端接到输出电容,即静点;铜线绕阻也因此如同形成一定程度的电场遮蔽。在多路转换器的布线安排中,固定电感的极性,有助于固定互感的大小,避免一些意想不到的EMI问题。
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