电感

磁珠的原理

磁珠的主要原料为铁氧体。铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金,它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似,颜色为灰黑色。电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料,许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。这种材料的特点是高频损耗非常大,具有很高的导磁率,他可以是电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。对于抑制电磁干扰用的铁氧体,最重要的性能参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs。磁导率μ可以表示为复数,实数部分构成电感,虚数部分代表损耗,随着频率的增加而增加。因此,它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路,L和R都是频率的函数。当导线穿过这种铁氧体磁芯时,所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加,但是在不同频率时其机理是完全不同的。

在低频段,阻抗由电感的感抗构成,低频时R很小,磁芯的磁导率较高,因此电感量较大,L起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制,并且这时磁芯的损耗较小,整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感,这种电感容易造成谐振因此在低频段,有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。

在高频段,阻抗由电阻成分构成,随着频率升高,磁芯的磁导率降低,导致电感的电感量减小,感抗成分减小 但是,这时磁芯的损耗增加,电阻成分增加,导致总的阻抗增加,当高频信号通过铁氧体时,电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。

铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件,就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰,它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。

两个元件的数值大小与磁珠的长度成正比,而且磁珠的长度对抑制效果有明显影响,磁珠长度越长抑制效果越好。

磁珠的选用

1. 磁珠的单位是欧姆,而不是亨特,这一点要特别注意。因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆。磁珠的DATASHEET 上一般会提供频率和阻抗的特性曲线图,一般以100MHz 为标准,比如1000R@100MHz,意思就是在100MHz 频率的时候磁珠的阻抗相当于600 欧姆。

2. 普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的,它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源,所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时,就会有一部分能量被反射回信号源,造成干扰电平的增强。为解决这一弊病,可在滤波器的进线上使用铁氧体磁环或磁珠套,利用滋环或磁珠对高频信号的涡流损耗,把高频成分转化为热损耗。因此磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用,所以有时也称之为吸收滤波器。

不同的铁氧体抑制元件,有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高,抑制的频率就越低。此外,铁氧体的体积越大,抑制效果越好。在体积一定时,长而细的形状比短而粗的抑制效果好,内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下,还存在铁氧体饱和的问题,抑制元件横截面越大,越不易饱和,可承受的偏流越大。

EMI 吸收磁环/磁珠抑制差模干扰时,通过它的电流值正比于其体积,两者失调造成饱和,降低了元件性能;抑制共模干扰时,将电源的两根线(正负)同时穿过一个磁环,有效信号为差模信号,EMI 吸收磁环/磁珠对其没有任何影响,而对于共模信号则会表现出较大的电感量。磁环的使用中还有一个较好的方法是让穿过的磁环的导线反复绕几下,以增加电感量。可以根据它对电磁干扰的抑制原理,合理使用它的抑制作用。

铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入/输出电路,应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。对铁氧体磁环和磁珠构成的吸收滤波器,除了应选用高磁导率的有耗材料外,还要注意它的应用场合。它们在线路中对高频成分所呈现的电阻大约是十至几百Ω,因此它在高阻抗电路中的作用并不明显,相反,在低阻抗电路(如功率分配、电源或射频电路)中使用将非常有效。

磁珠和电感的区别

电感是储能元件,而磁珠是能转换(消耗)器件。电感多用于电源滤波回路,侧重于抑止传导性干扰;磁珠多用于信号回路,主要用于EMI方面。磁珠用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR,SDRAM,RAMBUS 等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种储能元件,用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHz。

1. 片式电感:在电子设备的PCB板电路中会大量使用感性元件和EMI滤波器元件。这些元件包括片式电感和片式磁珠,以下就这两种器件的特点进行描述并分析他们的普通应用场合以及特殊应用场合。表面贴装元件的好处在于小的封装尺寸和能够满足实际空间的要求。除了阻抗值,载流能力以及其他类似物理特性不同外,通孔接插件和表面贴装器件的其他性能特点基本相同。

在需要使用片式电感的场合,要求电感实现以下两个基本功能:电路谐振和扼流电抗。

谐振电路包括谐振发生电路,振荡电路,时钟电路,脉冲电路,波形发生电路等等。谐振电路还包括高Q带通滤波器电路。要使电路产生谐振,必须有电容和电感同 时存在于电路中。在电感的两端存在寄生电容,这是由于器件两个电极之间的铁氧体本体相当于电容介质而产生的。在谐振电路中,电感必须具有高Q,窄的电感偏差,稳定的温度系数,才能达到谐振电路窄带,低的频率温度漂移的要求。高Q电路具有尖锐的谐振峰值。窄的电感偏置保证谐振频率偏差尽量小。稳定的温度系数保证谐振频率具有稳定的温度变化特性。标准的径向引出电感和轴向引出电感以及片式电感的差异仅仅在于封装不一样。

电感结构包括介质材料(通常为氧化铝陶瓷材料)上绕制线圈,或者空心线圈以及铁磁性材料上绕制线圈。在功率应用场合,作为扼流圈使用时,电感的主要参数是直流电阻(DCR),额定电流,和低Q值。当作为滤波器使用时,希望宽的带宽特性,因此,并不需要电感的高Q特性。低的DCR可以保证最小的电压降,DCR定义为元件在没有交流信号下的直流电阻。

2. 片式磁珠:片式磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构(PCB 电里)中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。要消除这些不需要的信号能量,使用片式磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz以上,然而,低频信号也会受到片式磁珠的影响。片式磁珠由软磁铁氧体材料组成,构成高体积电阻率的独石结构。涡流损耗同铁氧体材料的电阻率成反比。涡流损耗随信号频率的平方成正比。

磁珠的参数

标称值:因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆,一般以100MHz为标准,比如2012B601,就是指在100MHz的时候磁珠的阻抗为600欧姆。

额定电流:额定电流是指能保证电路正常工作允许通过电流。

磁珠和电感在解决EMI和EMC方面各与什么作用,首先我们来看看磁珠和电感的区别,电感是闭合回路的一种属性,多用于电源滤波回路,而磁珠主要多 用于信号回路,用于EMC对策磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰,而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。磁珠是用来吸收超高频信号,象一些RF电 路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,两者都可用于处理EMC、EMI问题。

磁珠和电感在解决EMI和EMC方面各与什么作用,首先我们来看看磁珠和电感的区别,电感是闭合回路的一种属性,多用于电源滤波回路,而磁珠主要多 用于信号回路,用于EMC对策磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰,而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。磁珠是用来吸收超高频信号,象一些RF电 路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,两者都可用于处理EMC、EMI问题。

磁珠和电感在EMI和EMC电路中关键是是对高频传导干扰信号进行抑制,也有抑制电感的作用。但从原理方面来看,磁珠可等效成一个电感,等于还是存在一定的 区别,最大区别在于电感线圈有分布电容。因此,电感线圈就相当于一个电感与一个分布电容并联。如图1所示。图1中,LX为电感线圈的等效电感(理想电 感),RX为线圈的等效电阻,CX为电感的分布电容。

图1 电感线圈的等效电路图

理论上对传导干扰信号进行抑制,要求抑制电感的电感量越大越好,但对于电感线圈来说,电感量越大,则电感线圈的分布电容也越大,两者的作用将会互相抵消。

图2 普通电感线圈的阻抗与频率的关系图

图 2是普通电感线圈的阻抗与频率的关系图,由图中可以看出,电感线圈的阻抗开始的时候是随着频率升高而增大的,但当它的阻抗增大到最大值以后,阻抗反而随着 频率升高而迅速下降,这是因为并联分布电容的作用。当阻抗增到最大值的地方,就是电感线圈的分布电容与等效电感产生并联谐振的地方。图中,L1 > L2 > L3,由此可知电感线圈的电感量越大,其谐振频率就越低。从图2中可以看出,如果要对频率为1MHZ的干扰信号进行抑制,选用L1倒不如选用L3,因为 L3的电感量要比L1小十几倍,因此L3的成本也要比L1低很多。

如果我们还要对抑制频率进一步提高,那么我们最后选用的电感线圈就只好是它的最小极限值,只有1圈或不到1圈了。磁珠,即穿心电感,就是一个匝数小于1圈的电感线圈。但穿心电感比单圈电感线圈的分布电容小好几倍到几十倍,因此,穿心电感比单圈电感线圈的工作频率更高。

穿心电感的电感量一般都比较小,大约在几微亨到几十微亨之间,电感量大小与穿心电感中导线的大小以及长度,还有磁珠的截面积都有关系,但与磁珠电感量关系最 大的还要算磁珠的相对导磁率Uy。图3、图4是分别是指导线和穿心电感的原理图,计算穿心电感时,首先要计算一根圆截面直导线的电感,然后计算结果乘上磁 珠相对导磁率 就可以求出穿心电感的电感量。

图3 圆截面直导线的电感图

图4 磁珠穿心电感图

另外,当穿心电感的工作频率很高时,在磁珠体内还会产生涡流,这相当于穿心电感的导磁率要降低,此时,我们一般都使用有效导磁率。有效导磁率 就是在某个工作频率之下,磁珠的相对导磁率。但由于磁珠的工作频率都只是一个范围,因此在实际应用中多用平均导磁率。

在低频时,一般磁珠的相对导磁率都很大(大于100),但在高频时其有效导磁率只有相对导磁率的几分之一,甚至几十分之一。因此,磁珠也有截止频率的问题, 所谓截止频率,就是使磁珠的有效导磁率下降到接近1时的工作频率fc,此时磁珠已经失去一个电感的作用。一般磁珠的截止频率fc都在30~300MHz之 间,截止频率的高低与磁珠的材料有关,一般导磁率越高的磁芯材料,其截止频率fc反而越低,因为低频磁芯材料涡流损耗比较大。使用者在进行电路设计的时 候,可要求磁芯材料的提供商提供磁芯工作频率与有效导磁率 的测试数据,或穿心电感在不同工作频率之下的曲线图。图5是穿心电感的频率曲线图。

图5 穿心电感的频率曲线图

磁珠另一个用途就是用来做电磁屏蔽,它的电磁屏蔽效果比屏蔽线的屏蔽效果还要好,这是一般人不太注意的。其使用方法就是让一双导线从磁珠中间穿过,那么当有 电流从双导线中流过时,其产生的磁场将大部份集中在磁珠体内,磁场不会再向外辐射;由于磁场在磁珠体内会产生涡流,涡流产生电力线的方向与导体表面电力线 的方向正好相反,互相可以抵消,因此,磁珠对于电场同样有屏蔽作用,即:磁珠对导体中的电磁场有很强的屏蔽作用。

使用磁珠进行电磁屏蔽的优点是磁珠不用接地,可以免去屏蔽线要求接地的麻烦。用磁珠作为电磁屏蔽,对于双导线来说,还相当于在线路中接了一个共模抑制电感,对共模干扰信号有很强的抑制作用。

从上述我们可以了解到,磁珠和电感在EMC、EMI电路中都能起到抑制的作用,主要是抑制方面的不同,而电感在高频谐振以后都不能再起电感的作用了,先必需 明白EMI的两个途径,即:辐射和传导,不同的途径采用不同的抑制方法。前者用磁珠,后者用电感。还需我们注意的地方是共模抑制电感与Y电容的连接位置, 那什么是共模抑制电感,就是在地线或其它输入输出线之间串联电感,这个电感称为共模抑制电感,共模抑制电感的一端与机器中的地线(公共端)相连,另一端与 一个Y电容相连,Y电容的另一端与大地相连。这是抑制传导干扰的最有效方法。

转自:硬件十万个为什么

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环形电感或工形电感啸叫问题,在稳压电源电路的设计经常遇到,根据稳压电源芯片的不同和外围电路的不同,解决方法也各不相同,本文档的宗旨是分析电感啸叫的根本原因,并综合各种不同的解决方法,供学习参考和借鉴。

1. 引言

H7710加密DTU 在摸底测试的时候发现过电感啸叫的现象,当时我们的处理方法是更换稳压电源电路输出部分的电感。在实际的应用中,我们处理的方法可以有多种多样,现在就专门针对此类问题,探讨和汇总电感啸叫的根本原因及处理啸叫的方法。

2. 稳压电源电路的一般设计

2.1 降压稳压电路

电感啸叫的原因及解决方法剖析

我们以较典型的34063减压稳压芯片电路设计的典型电路来举例,一一分析如下:

不同品牌的34063最大工作频率不同,同样的外围电路,震荡频率也可能有差别,输出脉冲也有差异。

上图为34063 的标准设计图例。

我们现在就来分析下此电路关键器件对性能参数的影响,限流电阻R=R110//R111//R112//R113//R114.
该电阻的作用是检测输出电流,当输出电流超过阀值时,将关闭输出电流。根据负载瞬态最大电流的要求来调整限流电阻的取值,使最大输出电流不小于瞬态最大电流。

R115,R116调整输出电压Vo=1.25*(1+R116/R115)。

C112为内部震荡电路的频率调整电容,电容变小,则频率升高,一般情况,输出方波频率等于该震荡频率。频率越高输出纹波越小。

L110电感量越大,则输出纹波越小,纹波的大小还会影响到输出电压调整的灵敏度,纹波越小,灵敏度越高,输出电压越稳定。但是芯片的SE脚将出现杂乱的窄脉冲开关电流波形,L110电感容易啸叫。纹波越大,输出灵敏度越低,输出电压稳定度降低,SE脚出现开关电流频率较稳定,L110电感不会啸叫。

C115的ESR越小,则允许流经电容的纹波电流越大,保证电容使用寿命的同时,纹波电压也越小。同样电容的容量越大,纹波电压也越小。

R117为反馈电阻,把输出方波叠加在锯齿波上,可以降低电压调整灵敏度,稳定输出方波电流,避免电感啸叫。

3. 电感啸叫的原因所在及解决方法

3.1 啸叫的原因

稳压电源电路输出的开关电流的频率接近或落入音频范围,或周期性方波群的周期频率接近或落入音频范围。周期性电流经过电感线圈,产生交变磁场,该电感线圈在交变磁场作用下产生振动而发出声音。34063的输出稳压是以PWM方式实现的,芯片的最大占空比的限制以及输出电压,决定了最低输入电压,而芯片的耐压决定了最高输入电压,在电压调整灵敏度适当的情况下,输入电压变高,则输出方波脉宽变窄,即占空比变小,当输入电压高到某个数值时,占空比无法再小,为了继续稳压,不同的芯片有不同的处理方式,有的降低频率,有的则周期性的丢弃一些脉冲。周期性丢弃的脉冲群如果周期频率接近或落入音频范围,就会发生电感啸叫的情况,而如果降频处理后的开关电流的频率接近或落入音频范围,也会引起电感的啸叫。

3.2 啸叫的解决办法

  •   提高输出开关电流的频率。综合考虑芯片增加的成本,以及平率增高可引起的电感和上述C115电容参数可适当降低,引起的成本减少。

  •   当输入输出比较大时,对于会周期性丢弃脉冲的芯片来讲,可调整如上图所示C112,降低频率,来获取更大的占空比调整范围,避免出现周期性的方波群落入音频的范围,从而避免电感的啸叫。

  •   调整R117反馈电阻,即改变电压调整灵敏度,避免开关电流频率出现接近或落入音频周期范围内的周期性方波群。从而避免电感的啸叫。

  •   添加C111电容,增加纹波反馈,降低电压调整灵敏度,避免开关电流频率出现接近或落入音频周期范围内的周期性方波群。从而避免电感的啸叫。

  •   在纹波允许范围内,适当加大纹波幅度,必要的话多加一级滤波。

  •   L110 电感改善工艺,减小振动啸叫,如要求供应商增加浸漆工序等。

3.3 实际测试开关电源电路波形

电感啸叫的原因及解决方法剖析

电感啸叫的原因及解决方法剖析

4. 总结

本文重点介绍了电感啸叫产生的根本原因,以及不同的解决方法及解决原理。并针对34063稳压电源电路的标准设计图例,进行了详细的分析解释。对于电感啸叫的问题,可以举一反三,应用于其他电路中。总之,处理问题的方法和技巧思路是大同小异的,具体的应用参考对应的稳压电源电路和电源芯片的datasheet,了解对应参数的意义即可。本文的推出,希望可以给大家一个详细的对电感啸叫问题的认识和理解,以及希望对此类问题的处理思路有个清晰的了解。

参考文献
[1] 刘胜利,严仰光《现代高频开关电源实用技术》,电子工业出版社,2001年9月
[2] 孙良华等,《UC3854的最小输出脉宽问题》,国外电子元器件,2000年6月
[3]徐德高等,《脉冲调制变换器型稳压电源》,科学出版社,1986年

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我们先来说说电容,都说大电容低频特性好,小电容高频特性好,那么根据容抗的大小与电容C及频率F成反比来说的话,是不是大电容不仅低频特性好,高频特性更好呢,因为频率越高,容量越大,容抗就越低,高频就是否越容易通过大电容呢,但从大电容充放电的速度慢来说的话,高频好象又不容易通过的,这不很矛盾吗?

首先,高频低频是相对的。如果频率太高,那么,电容的容量变得再大也没有意义,因为,大家知道,线圈是电感,是阻高频的,频率越高,阻碍作用越大。尽管电感量很小,但是,大容量电容一般都有较长的引脚和较大的极板圈在一起,这时,电容两脚的等效电感量已经对高频起了很大的阻碍作用了。

元器件在低频和高频中特性还不一样?

因此,高频不容易通过高频性能差的大容量电解电容,而片状的陶瓷电容则在价格性能上占尽优势。

同理,是不是电感越大对高频了阻碍作用越大呢?不是。为了得到较大的电感量,必须有尽可能多、尽可能大的线圈,而这些导体就向电容的无数个极板,如果碰巧这些极板间距又较近的话(这是追求多圈数无法避免的),分布电容会给高频信号提供通路。

元器件在低频和高频中特性还不一样?

所以,不同频段的信号要选用合适容量的电容和电感。

下面咱们一起把最常用的三个无源器件,电阻、电容、电感的高频等效电路分析一下:

1. 高频电阻

低频电子学中最普通的电路元件就是电阻,它的作用是通过将一些电能装化成热能来达到电压降低的目的。电阻的高频等效电路如图所示,其中两个电感L模拟电阻两端的引线的寄生电感,同时还必须根据实际引线的结构考虑电容效应;用电容C模拟电荷分离效应。

元器件在低频和高频中特性还不一样?
电阻等效电路表示法

根据电阻的等效电路图,可以方便的计算出整个电阻的阻抗:

元器件在低频和高频中特性还不一样?

下图描绘了电阻的阻抗绝对值与频率的关系,正像看到的那样,低频时电阻的阻抗是R,然而当频率升高并超过一定值时,寄生电容的影响成为主要的,它引起电阻阻抗的下降。当频率继续升高时,由于引线电感的影响,总的阻抗上升,引线电感在很高的频率下代表一个开路线或无限大阻抗。

元器件在低频和高频中特性还不一样?
一个典型的1KΩ电阻阻抗绝对值与频率的关系

2. 高频电容

片状电容在射频电路中的应用十分广泛,它可以用于滤波器调频、匹配网络、晶体管的偏置等很多电路中,因此很有必要了解它们的高频特性。电容的高频等效电路如图所示,其中L为引线的寄生电感;描述引线导体损耗用一个串联的等效电阻R1;描述介质损耗用一个并联的电阻R2。

元器件在低频和高频中特性还不一样?
电容等效电路表示法

同样可以得到一个典型的电容器的阻抗绝对值与频率的关系。如下图所示,由于存在介质损耗和有限长的引线,电容显示出与电阻同样的谐振特性。

元器件在低频和高频中特性还不一样?
一个典型的1pF电容阻抗绝对值与频率的关系

3. 高频电感

电感的应用相对于电阻和电容来说较少,它主要用于晶体管的偏置网络或滤波器中。电感通常由导线在圆导体柱上绕制而成,因此电感除了考虑本身的感性特征,还需 要考虑导线的电阻以及相邻线圈之间的分布电容。电感的等效电路模型如下图所示,寄生旁路电容C和串联电阻R分别由分布电容和电阻带来的综合效应。

元器件在低频和高频中特性还不一样?
高频电感的等效电路

与电阻和电容相同,电感的高频特性同样与理想电感的预期特性不同,如下图所示:首先,当频率接近谐振点时,高频电感的阻抗迅速提高;第二,当频率继续提高时,寄生电容C的影响成为主要的,线圈阻抗逐渐降低。

元器件在低频和高频中特性还不一样?
电感阻抗绝对值与频率的关系

总之,在高频电路中,导线连同基本的电阻、电容和电感这些基本的无源器件的性能明显与理想元件特征不同。读者可以发现低频时恒定的电阻值,到高频时显示 出具有谐振点的二阶系统相应;在高频时,电容中的电介质产生了损耗,造成电容起呈现的阻抗特征只有低频时才与频率成反比;在低频时电感的阻抗响应随频率的增加而线形增加,达到谐振点前开始偏离理想特征,最终变为电容性。这些无源元件在高频的特性都可以通过前面提到的品质因数描述,对于电容和电感来说,为了调谐的目的,通常希望的到尽可能高的品质因数。

来源:电子工程专辑

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