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硬件开发者之路之——阻容感的感

上一篇 / 下一篇  2017-10-11 01:08:42 / 个人分类:技术生涯

电感(Inductor),多么熟悉又陌生的电子基础元器件!熟悉是因为但凡了解些电子的同学都知道它,陌生就因为不少工作了好几年的专业人员也说不明它的应用知识。知其然还要之其所以然呀!越来越发现大牛都是对细节把握很强的人!今天,我也来细细弄明白电感的一些知识,在成为大牛的路上铺好每一块砖。
一、电感作用简言之
即:
那么从头说起电感呢?这个图文并茂很赞!
TDK的几种电感类型
接下来我们更加详细的了解一下电感的基本特性,然后根据上面图示中的几大类应用分别作出解释。
线圈的等效模型:
而理想的电感则是忽略了RC,因此实际的电感会表现出RLC三种特性,这和电阻、电容的特性是一样的。实际上可以把阻容感理解成在不同频率下表现不同特性的一个器件,在频域在上分析特性会很清晰。
那么我们如何利用电感的不同特性来作不同应用呢?下面的图和公式就很明白了!
以上三种应用就是功率应用和信号应用,具体说来电感的功率应用偏向的是阻抗设计,功率应用偏向的是电压和电流的功率设计。
二、电感的信号处理应用
1、信号消除
所谓的信号消除就是电感的阻抗设计,如图电感会在某一频率下呈现阻抗最大值,这样就可以阻挡特定频率的信号通过。如磁珠的原理。
单独信号线上添加电感进行的是差模处理,而共模电感则是连接在两条线上,利用正反向电流的感应磁场相消除,来消除信号线对地的共模干扰。
2、信号挑选
其实也是信号消除,不过是涉及到通带的设计,如配合电容可以实现特定频率信号的滤波处理,得到有用信号。
LC滤波器在低频时会因为需要大电感而很少选择,在高频时因为特定的L需要绕制等原因应用的也不多,L的Q值使得滤波不够陡峭,但是LC具有相比于RC形式具有低损耗的优点,在一些功率信号的滤波中就有很好的应用。
三、电感的功率处理应用
电感在功率设计中的应用更加多样和复杂,涉及到EMI的问题,也更值得注意,我也是因为最近有个相关问题才决定写这篇总结的!现在重点学习一下电感在电源设计中的应用问题。
1、功率电感的参数:
1.1  L值:即无电流时的电感量,实际上通过电流时会小一点。
1.2  直流DCR:即电感的直流损耗,这个值会随温度升高变化较大,因此做好散热避免过度高温很重要。如公式:
        Ro=Rdc*(1+T-20/234.5)= Rdc*(1+ΔT*0.0043)

1.3  饱和电流Isat:一般指电感量衰减20%时的直流电流值。饱和电流随温度、材料等变化。
1.4  纹波电流I:是指电感上电流的交流值大小,纹波过大会导致交流损耗大,影响寿命。在DC/DC中纹波电流小却需要大体积电感。
1.5  峰值电流Ipk:电感能通过的最大电流。
1.6  工作频率F:工作频率越大可以实现L越小,但是交流损耗变大。
2、功率电感的材料:
对于电感而言不同的磁芯材料对特性影响非常大。
  2.1  镍锌铁氧体:电阻率极高,应用频率0.1~100MHz,目前小功率电感多用该材料。
2.2  锌锰铁氧体:主要分为高导铁氧体、功率铁氧体和温度稳定性铁氧体。应用频率10KHz~4MHz,具有硬饱和特性即电感随电流增大陡然下降。常用于共模电感。
2.4  铁粉芯:铁粉和粉末结合体,因为天然的气隙不需要开气隙,EMC特性好,性价比比较高。
3、磁性材料的几个参数简单说明:
3.1  磁导率:就是导通磁力线的能力,即磁感应强度和磁场强度的比值,μ=dB / dH。
        3.2  磁芯的气隙:就是在磁芯中留个空气空间,利用空气的磁导率远小于磁芯材料来将将能量存在气隙上,从而避免磁饱和,但是容易增加损耗。
        3.3  磁滞:就是磁性从零到饱和与从饱和到零并不是同一条线。
        3.4  居里温度:简单说就是在特定温度条件下,磁性材料会失去磁性(由铁磁体到顺磁体的温度转变点)。
      4、DC/DC应用中的电感设计
在DC/DC电源中我们经常用到电感,那么这个电感到底如何设计呢?简单的根据DataSheet来选个值明显不能学到解决问题的能力,一步步知其所以然很重要。
先以常见的降压BUCK电路为例:
在开关模式下,Q1打开时电流正向流过电感到负载到地。当Q1关闭时,L的电压不能突变,存储的能量相当于一个电源,负载端为正,电流依然正向流过负载,然后经过一个被称为续流二极管的CR1回到电感L的负极,完成Q1关断时的能量传输。这个过程中明显,电感中的电流是不断变化的,实际上又分CCM/DCM几种形式,后续细讲。
利用公式我们来计算电感的值设计:
公式比较简单,继续由公式来分析特性:
可见,电感上的纹波电流与电感值大小密切相关,电感越大,纹波电流越小
这里我们是不是就可以选一个很好的电感了呢?显然不是!这里涉及的就是功率电感的关键参数:饱和电流以及温升电流
饱和电流:就是电感电流过大时电感值会减小,一般以减小30%为界。
温升电流:其实和饱和电流类似,温度升高一定值时的电流值。
铁芯电感的磁路面积越小,匝数越多,流过的电流越大,就越容易磁饱和。
以空芯线圈为例看看电感计算公式:
提高饱和电流的方式有增大线径、换磁芯等。
回来继续,那么如果电感的值过大是否更好?除了体积增大之外,电感量增大意味着匝数增多,那么饱和电流就会降低!影响大电流使用!而且,大电感影响环路带宽,也就是使负载响应会变慢。所以电感的取值有范围要求。这个上下限根据纹波电流来确定,纹波电流最高点(一般算10%左右)就是电感值最大点,反之就是最小点。
以上就可以清晰明白一个DC/DC电路中的电感选择计算了,其实就是依据基本公式而已。升压电路BOOST类似。
四、应用问题:
1、电感发热:选型不对,额定工作电流小。
2、部分贴片式外壳容易损坏,磕碰易碎。
3、焊接时注意高温控制,避免损坏。
物理损坏是比较重要的原因。
五、小结:
以上终究还是比较浅的学习了一些电感的应用知识,主要因为我目前主要还是关注在电源应用这一块,总之,学无止境,誓死方休!

TAG: TDK 电感 嵌入式 设计 选型 硬件开发

 

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