电感基本知识
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电 感
L1
+
电 容 C2
输出直流电压
等效电路
(接前所述)这个衰减电路中,对交流电压 有很大衰减作用,达到去掉交流电压的目的。
如果要分析电感在直流电路中的工作原理时,电感的直流 电阻不能忽略,它在电路中起着一定的作用,是否要考虑电感 的直流电阻要视具体电路而定,这是分析电路中的难点。 在分析电感电路时,如果输入直流电,电感不存在感抗,只有 电感器的直流电阻,通常情况下可以忽略不计。 对于交流电,要根据交流电的频率分成多种情况进行感抗的 等效分析,那电感器L的等效“电阻”,其大小与电感量和频率相 关。 把一个频率高的电感等效为一个阻值大的电阻等效分析 把一个频率低的电感等效为一个阻值小的电阻等效分析 把一个特定频率的电感等效为一个特定的阻值等效分析
V开关管在控制电路的控制下工作在开关状态。
电感式DC/DC变换器工作原理
+ +
电感降压式DC/DC变换器原理框图
源自文库
图中,VIN为输入电压,VOUT为输出电压,L为储能电感,VD为续 流二极管,C为滤波电容,R1、R2为分压电阻,经分压后产生误差反 馈信号FB,用以稳定输出电压和调输出电压的高低。电源开关管V既可 采用N沟道绝缘栅场效应管(MOSFET),也可采用P沟道场效应管, 当然也可用NPN型晶体管或PNP型晶体管,实际应用中,一般采用P沟 道场效应管居多。
因为电感对交流存在阻碍作用,那么从电感输出的交流电压比 输入电压幅度要小。
电感滤波电路,那常见的有如下的π型LC滤波电路,L1为滤 波电感,C1和C2 为滤波电容,因为C1、L1、和C2构成了一个π型 字样,所以称为π型滤波电路。
整流电路
电感L1
直流输出电压
电容C1
电容C2
从整流电路输出的交流和直流混合电流首先经过C1滤波, 然后加到L1和C2组成滤波电路中。 对于直流电流而言,由于L1的直流电阻很小,所以直流电 流流过L1时在L1上产生的直流电压降很小,这样直流电压就 能通过L1到达输出端。 对于交流电流而言,因为L1存在感抗,而且滤波电路中L1 的电感量比较大,所以感抗很大。这一感抗与C2的容抗(滤 波电容的容量大,容抗小)构成分压衰减电路,等效电路如下 所示:
电感滤波电路
在大电流的整流滤波电路中常常会用到容量很大的滤波电容,这 是因为负载内阻很小,若采用小容量的滤波电容其放电时间极短而起不 到滤波的作用。若采用大容量的电容虽然能起到滤波作用,但由于充放 电电流极大,同时会对整流二极管产生很大的冲击电流。因此在这种情 况下采用电感滤波是很好的办法。由于电感线圈的电感量要足够大,应 该采用有铁心的线圈,线径要足够粗以承载大电流。 电感滤波电路工作原理 当流过电感的电流变化时,电感线圈中产生的感生电动势将阻止 电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时,电感线圈产生的自感电动 势与电流方向相反,阻止电流的增加,同时将一部分电能转化成磁场能 存储于电感之中;当通过电感线圈的电流减小时,自感电动势与电流方 向相同,阻止电流的减小,同时释放出存储的能量,以补偿电流的减小。 因此经电感滤波后,不但负载电流及电压的脉动减小,波形变得平滑, 而且整流二极管的导通角增大。
如图1:开关电源中的电感电流
纹波电流的大小同样会影响电感器和输出电容的尺寸,纹波电流一 般设定为最大输出电流的10%~30%,因此对降压型电源来说,流过电 感的电流峰值比电源输出电流大5%~15%。
计算出正确的电感值对选用合适的电感和输出电容以获得最小的输 出电压纹波而言非常重要。 从图1可以看出,流过开关电源电感器的电流由交流和直流两种分量 组成,因为交流分量具有较高的频率,所以它会通过输出电容流入地, 产生相应的输出纹波电压dv=di×RESR。这个纹波电压应尽可能低,以免 影响电源系统的正常操作,一般要求峰峰值为10mV~500mV。
电感在开关电源中的应用
电感是开关电源中常用的元件,由于它的电流、电压相位不同,所 以理论上损耗为零。电感常为储能元件,也常与电容一起用在输入滤波 和输出滤波电路上,用来平滑电流。电感也被称为扼流圈,特点是流过 其上的电流有“很大的惯性”。换句话说,由于磁通连续特性,电感上 的电流必须是连续的,否则将会产生很大的电压尖峰。 电感为磁性元件,自然有磁饱和的问题。有的应用允许电感饱和, 有的应用允许电感从一定电流值开始进入饱和,也有的应用不允许电感 出现饱和,这要求在具体线路中进行区分。大多数情况下,电感工作在 “线性区”,此时电感值为一常数,不随着端电压与电流而变化。但是, 开关电源存在一个不可忽视的问题,即电感的绕线将导致两个分布参数 (或寄生参数),一个是不可避免的绕线电阻,另一个是与绕制工艺、材料 有关的分布式杂散电容。杂散电容在低频时影响不大,但随频率的提高 而渐显出来,当频率高到某个值以上时,电感也许变成电容特性了。如 果将杂散电容“集中”为一个电容,则从电感的等效电路可以看出在某 一频率后所呈现的电容特性。
干式制程不以交叉网印的方式制作积层芯片电感的内部线圈,而 先以括刀成形的技术制作磁芯材质的生胚薄带,然后在生胚薄片上 制作穿孔(Via Hole),于孔中填入内部电极,并再生胚薄片上做内 部线圈的厚膜网印,再按序积层压合,藉穿孔来连接层与层之间的 导线,而成一组线圈。此法的关键技术在于生胚的稳定度与积层压 合时的精准对位,至于后段的切割、共烧等程序与半湿式或湿式相 同,详如下图。
上述三种制程的比较,如表一所示。就设备投资成本分析,湿式制 程于不须购买制作生胚薄片的设备-括刀成型机,因此其设备投资成本 最低,干式制程除了需购买括刀成型机外,尚须购买钻孔机、对位机 等对位与穿孔设备,其设备的投资最高。由于湿式制程的设备投资成 本最低,因此就相同产品分析,湿式制程的单位生产成本最低,半干 式制程次之,干式制程最高。 就制程的复杂度分析,湿式制程由于全部采用网版印刷方式制作电 感,因此制程最为简单,半干式制程除的运用网版印刷的技术外,尚须 具备括刀成形的制程技术,制程的困难度次之,干式制程除了需具有上 述两种制程技术外,尚须考虑到压合与对位的问题,制程的困难度最高。
就技术延伸性分析,干式制程除了生产芯片电感等积层组件外,尚 可生产积层芯片复合组件,虽然湿式制程与半干式制程同样也可用来生 产积层芯片复合组件,但若考虑产品的良率,则以干式制程为最佳的选 择。
制程 项次 投资成本 单位生产成本 制程困难度
湿式 低 低 低
半湿式 中 中 中
干式 高 高 高
技术延伸性
电感的工艺制成
积层贴片式电感器的制作工艺流程介绍 积层芯片电感制程介绍 积层芯片电感/磁珠的制程可分为三种,分别是:半湿式-印刷 积层法、湿式、干式-生胚积层法。 半湿式的生产方式其主要是在生胚薄片,以交叉厚膜网印的 方式将内导线及材料的油墨印制成内部线圈的结构,在经积层、 压合、切割、共烧等程序制成电感器,其制程如图一。此一制程 的关键在于低温烧结低介电常数材料的粉体配方、生胚薄片与印 刷油墨的制作与两者的性质、网版图案设计与网印条件设定、组 件脱脂与共烧的温度曲线、端电极与电镀参数设定、组件测试。 湿式制程的流程与半湿式相当的类似,两者唯一的差别在于 上下基板的制作方式,湿式法为利用印刷方式制作基板,而半湿 式是利用生胚薄片。
电感基本知识
电感器俗称线圈,最简单的电感器就是用导线空心的绕几圈, 有磁芯的电感器在磁芯上用导线绕几圈。 无论哪种电感器,如果结 构相同,其基本特性相同,但绕的匝数不同或有无磁芯不同时,电 感器的电感量的大小不同。绕线匝数越多,电感量越大,在同样匝 数的情况下,线圈增加了磁芯后,电感量会增加。 电感器在电路中具有感抗特性,感抗如同电阻一样阻碍电流流 动,但是感抗与流过电感器的电流频率相关,还与电感器本身的电 感量相关。电感对直流呈通路,而对于交流却呈现很大阻碍作用, 通常我们称之为感抗,XL=2πfL,其中XL为电感的感抗;f为流过电 感交流电的频率;L为电感的电感量。在电感量确定的前提下,f越大, 感抗越大即阻碍作用就越大。 利用电感对高频干扰成分感抗大的特性,那在220V交流电 网窜入的各种有害高频干扰成分就能利用一个电感被有效的滤掉。
当分析电感在线路中的工作状况或者绘制电压电流波形图时,不妨 考虑下面几个特点: 1. 当电感L中有电流I流过时,电感储存的能量为: E=0.5×L×I2 (1) 2. 在一个开关周期中,电感电流的变化(纹波电流峰峰值)与电感两端电压 的关系为: V=(L×di)/dt (2) ,由此可看出,纹波电流的大小跟电感值 有关。 3. 就像电容有充、放电电流一样,电感器也有充、放电电压过程。电容 上的电压与电流的积分(安· 秒)成正比,电感上的电流与电压的积分(伏· 秒) 成正比。只要电感电压变化,电流变化率di/dt也将变化;正向电压使电流 线性上升,反向电压使电流线性下降。
图一:芯片电感制程-半干式
干式制程不以交叉网印的方式制作积层芯片电感的内部线圈,而 先以括刀成形的技术制作磁芯材质的生胚薄带,然后在生胚薄片上制 作穿孔(Via Hole),于孔中填入内部电极,并再生胚薄片上做内部线圈 的厚膜网印,再按序积层压合,藉穿孔来连接层与层之间的导线,而 成一组线圈。此法的关键技术在于生胚的稳定度与积层压合时的精准 对位,至于后段的切割、共烧等程序与半湿式或湿式相同,详如下图 所示。
不同类型的电感器它的具体电路符号也有所不同,电感器 电路符号还能形象的表示电感器的结构特点。 例如:电感上画条实线,表示有低频铁芯
电感上画条虚线, 表示有高频铁芯
电感上画实线断开,表示铁芯有间隙 实线在加箭头,表示电感器可调,是微调电感器 空心线圈没有磁芯,通常线圈绕的匝数越少,电感越小,主要用于 高频电路中,例如:短波收音电路中、调频收音电路中等。 空心线圈每圈之间的隔隙大小与电感量有关,间隙大电感量小,反 之则大。所以在需要微调空心线圈电感量时,可以调整调整线圈之间 的间隙大小。为了防止线圈之间间隙变化,使用电路中调试完成后要 用石蜡加以封密固定,这样还可以防止线圈受潮。
贴片电感器是一中小型化的电感器,采用贴片元器件的结 构形式,具有无脚化的特点。
铁芯与磁芯的区别是工作频率的不同,工作频率低的称谓铁芯, 工作频率高的称为磁芯,例如用于50Hz交流市电频率电路中为铁芯, 收音电路磁棒线圈中的磁棒为磁芯,其工作频率高达上千Hz。磁芯根 据工作频率的高低不同,还有低频磁芯和高频磁芯之分。
降压式DC/DC变换器的基本工作原理是:开关管导通时,FIN电 压经开关管S、D极、储能电感L和电容C构成回路,充电电流不但在C 两端建立直流电压,而且在储能电感L上产生左正、右负的电动势;开 关管截止期间,由于储能电感L中的电流不能突变,所以,L通过自感 产生右正、左负的脉冲电压。于是,L右端正的电压→滤波电容C一续 流二极管VD→L左端构成放电回路,放电电流继续在C两端建立直流电 压,C两端获得的直流电压为负载供电。因此,降压式DC/DC变换器 产生的输出电压不但波纹小,而且开关管的反峰电压低。
在电感线圈不变的情况下,负载电阻愈小,输出电压的交流分量 愈小。只有在RL>>ωL时才能获得较好的滤波效果。L愈大,滤波效果 愈好。 另外,由于滤波电感电动势的作用,可以使二极管的导通角接近 π,减小了二极管的冲击电流,平滑了流过二极管的电流,从而延长 了整流二极管的寿命。
当忽略L的直流电阻时,RL上的直流电压UL与不加滤波时负载上的电 压相同,即UL =0.9U2 与电容滤波相比,电感滤波有以下特点: 1.电感滤波的外特性和脉动特性好。 2.电感滤波电路整流二极管的导通角 θ=π。 3.电感滤波输出电压较电容滤波为低。故一般电感滤波适用于输出电压 不高,输出电流较大及负载变化较大的场合。
低
中
高
表一 积层芯片电感制程比较
由于上述三种制程各有其优缺点,因此分别有国内厂商采用,其中 以半湿式制程的使用比例最高,包括美磊、台庆、奇力新、华新科等厂 商,均采用此种制程为主。湿式制程由于设备投资成本低,所以也有部 份厂商采用,以钰铠为代表。干式制程由于技术延伸性佳,目前国内有 许多厂商纷纷投入此类制程技术的研发。