Выбор компонентов является основным заданием для инженеров-аппаратчиков. Эта статья в основном представляет собой введение в то, как выбирать индуктивности с точки зрения технологии индуктивностей и их применения.
01 Основные принципы индуктивностей
Индуктивности, наряду с конденсаторами и резисторами, являются тремя основными пассивными компонентами в электронике; функция индуктивности заключается в хранении электрической энергии в виде энергии магнитного поля.
В качестве примера цилиндрической катушки кратко вводятся основные принципы индуктивностей.
Как показано на рисунке выше, когда постоянный ток проходит через катушку, согласно правилу правой руки, будет образовано статическое магнитное поле в направлении, указанном на диаграмме. Когда переменный ток проходит через индуктивность, создаваемое магнитное поле является переменным магнитным полем, и изменяющееся магнитное поле генерирует электрическое поле, что приводит к индуцированной электродвижущей силе на катушке, производя индуцированный ток:
-
Когда ток увеличивается, магнитное поле усиливается, и направление изменения магнитного поля совпадает с направлением исходного магнитного поля. Согласно правилу левой руки, индуцированный ток, который генерируется, противоположен направлению исходного тока, что приводит к уменьшению тока индуктивности.
-
Когда ток уменьшается, магнитное поле ослабевает, и направление изменения магнитного поля противоположно направлению исходного магнитного поля. Согласно правилу левой руки, индуцированный ток, который генерируется, направлен в том же направлении, что и исходный ток, что приводит к увеличению тока индуктивности.
Это закон Ленца, и конечный эффект заключается в том, что индуктивность будет препятствовать изменениям тока, проходящего через нее, что означает, что индуктивность представляет собой высокое сопротивление для переменного тока. Для одной и той же индуктивности, чем выше скорость изменения тока, тем больше индуцированный ток, и, следовательно, тем выше сопротивление, представленное индуктивностью; если скорость изменения тока одинакова, для различных индуктивностей, чем больше индуцированный ток, тем выше сопротивление, представленное индуктивностью.
Следовательно, импеданс индуктивности связан с двумя факторами: один - это частота; другой - это собственное свойство индуктивности, которое является значением индуктивности, также известным как индуктивность. Согласно теоретическому выводу, формула индуктивности для цилиндрической катушки выглядит следующим образом:
Можно увидеть, что величина индуктивности связана с размером катушки и материалом сердечника.
Фактические характеристики индуктивностей включают не только функцию индуктивности, но и другие факторы, такие как:
-
Провод, используемый для намотки катушки, не является идеальным проводником и имеет определенное сопротивление;
-
Магнитный сердечник индуктивности имеет определенные тепловые потери;
-
Существует распределенная емкость между проводниками внутри индуктивности.
Следовательно, для представления фактической индуктивности требуется более сложная модель, и обычно используемая эквивалентная модель выглядит следующим образом:
Форма эквивалентной модели может варьироваться, но она должна отражать потери и распределенную емкость. На основе эквивалентной модели можно определить два важных параметра фактической индуктивности:
Из-за наличия Cp она образует резонансную цепь с L, и ее резонансная частота является частотой саморезонанса индуктора. До частоты саморезонанса импеданс индуктора увеличивается с частотой; после частоты саморезонанса импеданс индуктора уменьшается с частотой, проявляя емкостные характеристики.
❷ Качество фактора
Это значение Q индуктора, отношение энергии, хранимой индуктором, к потерям энергии. Чем выше значение Q, тем ниже потери индуктора, что является параметром, непосредственно связанным с постоянным сопротивлением индуктора. Частота саморезонанса и значение Q являются ключевыми параметрами для высокочастотных индукторов.
02 Структура процесса индуктивности
Процесс индуктивности можно грубо разделить на три типа:
2.1 Тип с проводом намотки
Как следует из названия, это включает в себя намотку медного провода вокруг магнитного сердечника для формирования катушки. Существует два метода намотки:
Круглая намотка очень распространена и широко используется, например:
Плоская намотка также очень распространена; каждый, должно быть, видел москитную катушку, которая легко ломается.
Преимущество плоской намотки очевидно, что это уменьшение высоты компонента.
Из формулы, упомянутой ранее, видно, что чем больше проницаемость магнитного сердечника, тем больше значение индуктивности. Магнитный сердечник может быть:
-
Немагнитные материалы: такие как воздушный сердечник, керамический сердечник, которые, казалось бы, нельзя назвать магнитными сердечниками; таким образом, значение индуктивности невелико, но в основном нет тока насыщения.
-
Ферромагнитные материалы: такие как феррит, пермаллой и т. д.; проницаемость сплавов больше, чем у феррита; ферромагнитные материалы проявляют явления магнитного насыщения и имеют токи насыщения.
Индуктивности с проводом намотки могут обеспечивать большие токи и высокие значения индуктивности; чем больше проницаемость магнитного сердечника, для одного и того же значения индуктивности, тем меньше намотка требуется, что может снизить постоянное сопротивление; для одного и того же размера меньшая намотка может позволить использовать более толстый провод, увеличивая ток.
Кроме того, в проектировании источников питания часто возникает проблема свиста индуктивности, которая в основном вызвана изменениями магнитного поля, приводящими к вибрациям проводника, т.е. катушки, с частотой вибрации, попадающей в слышимый диапазон, что делает его слышимым. Интегрированные индуктивности из сплавов относительно прочны и могут уменьшить вибрации.
2.2 Многослойный тип
Процесс производства многослойных индуктивностей: сушка и формирование ферритного или керамического шлама, чередующееся нанесение проводящего шлама, а затем укладка и спекание в монолитную структуру.
Многослойные индуктивности меньше по размеру по сравнению с индуктивностями с проводом намотки, стандартизированная упаковка, подходит для автоматизированного высокоплотного монтажа; интегрированная структура имеет высокую надежность и хорошую термостойкость.
2.3 Тонкопленочный тип
Тонкопленочные индуктивности используют процесс, аналогичный производству ИС, нанося слой проводящей пленки на подложку, затем используя фотолитографию для формирования катушек, и, наконец, добавляя диэлектрические слои, изоляционные слои и слои электродов, и упаковку.
Процесс производства тонкопленочных устройств показан на рисунке ниже.
Точность процесса фотолитографии очень высока, что приводит к более узким линиям и более четким краям. Поэтому тонкопленочные индуктивности имеют
-
Меньший размер, упаковка 008004
-
Меньший шаг значения, 0.1нГн
-
Меньшая толерантность, 0.05nH
-
Лучшая стабильность частоты
03 Применения и выбор индукторов
С технологической точки зрения индукторы в основном представлены тремя крупными японскими производителями: TDK, Murata и Taiyo Yuden. Эти три компании имеют полные линейки продуктов, которые могут в основном удовлетворить большинство потребностей.
Все три имеют соответствующее программное обеспечение для выбора, с продуктами и связанными параметрическими кривыми для индукторов, конденсаторов и всех серий.
Лично я считаю, что TDK и Murata немного более продвинуты, судя по качеству их официальных сайтов. Сайт Coilcraft кажется немного низкокачественным, в конце концов, сайты тоже требуют инвестиций.
В проектировании схем индукторы в основном имеют три основных типа применения:
-
Энергетические индукторы: в основном используются для преобразования напряжения, обычно применяются в DCDC схемах, которые требуют энергетических индукторов;
-
Декуплирующие индукторы: в основном используются для фильтрации шума на силовых или сигнальных линиях, с которыми должны быть знакомы инженеры по ЭМС;
-
Индукторы высокой частоты: в основном используются в радиочастотных схемах для смещения, согласования, фильтрации и других схем.
3.1 Энергетические индукторы
Энергетические индукторы обычно используются в DCDC схемах, поддерживая постоянный ток, накапливая и высвобождая энергию.
Большинство энергетических индукторов - это индукторы с проводной обмоткой, которые могут обрабатывать большие токи и высокую индуктивность;
Многослойные чиповые энергетические индукторы также становятся все более распространенными, обычно с более низкими значениями индуктивности и токами. Их преимущества - низкая стоимость и ультра-малый размер, что делает их широко используемыми в продуктах с значительными ограничениями по пространству, таких как мобильные телефоны.
Энергетические индукторы необходимо выбирать на основе выбранного DCDC чипа. Обычно спецификации DCDC чипов включают рекомендуемые значения индуктивности и расчеты связанных параметров, которые здесь не будут подробно рассмотрены. Это объяснит, как выбрать индукторы с точки зрения самих индукторов.
Как правило, следует использовать значение индуктивности, рекомендованное в спецификациях DCDC чипов; чем больше значение индуктивности, тем меньше пульсации, но размер будет увеличиваться; обычно увеличение частоты переключения позволяет использовать более мелкие индукторы, но увеличение частоты переключения увеличивает потери в системе и снижает эффективность;
Энергетические индукторы обычно имеют два номинальных тока, а именно ток повышения температуры и ток насыщения;
Когда ток проходит через индуктор, из-за потерь индуктор нагревается и вызывает повышение температуры; чем больше ток, тем больше повышение температуры; в пределах номинального диапазона температуры максимальный допустимый ток - это ток повышения температуры.
Увеличение проницаемости магнитного сердечника может повысить значение индуктивности, обычно используя ферромагнитные материалы для сердечника. Ферромагнитные материалы проявляют магнитное насыщение, что означает, что когда сила магнитного поля превышает определенное значение, магнитная индукция больше не увеличивается, что приводит к снижению проницаемости, что также означает снижение индуктивности. В пределах диапазона номинального значения индуктивности максимальный допустимый ток - это ток насыщения.
Гистерезисная петля:Магнитные материалы-------феррит, измеритель удельного веса, измеритель плотности пористых материалов, измеритель плотности жидкости, тестер объема твердых частиц, измеритель плотности магнитных материалов.
Для проектирования DCDC схем необходимо рассчитать пиковый (PEAK) ток и среднеквадратичный (RMS) ток, и спецификация обычно предоставляет формулы для расчетов.
Ток повышения температуры - это оценка теплового эффекта индукторов. Согласно закону Джоуля, тепловой эффект необходимо учитывать как интеграл тока по времени за определенный период; при выборе индукторов спроектированный RMS ток не должен превышать ток повышения температуры индукторов.
Чтобы обеспечить стабильность значения индуктивности в пределах проектного диапазона, спроектированный пиковый ток не должен превышать ток насыщения индукторов.
Для повышения надежности необходимо проектирование с понижением, и обычно рекомендуется, чтобы рабочее значение было понижено не более чем до 80% от номинального значения. Конечно, чрезмерное понижение значительно увеличит затраты и должно быть учтено комплексно.
❸ Постоянное сопротивление
Постоянное сопротивление индукторов будет вызывать тепловые потери, что приведет к повышению температуры и снижению эффективности DCDC; поэтому, когда эффективность чувствительна, следует выбирать индукторы с низким постоянным сопротивлением, например, 15 миллиом.
Кроме того, учитывайте требования к рабочей температуре продукта, необходимо ли соответствовать стандартам RoHS, автомобильному классу Q200 и другим стандартам, а также ограничениям структуры PCB.
В приложениях с большими токами утечка магнитного поля индукторов может быть значительной, влияя на окружающие схемы, такие как ЦП. Ранее я сталкивался с ситуацией, когда утечка магнитного поля индукторов X86 CORE привела к тому, что ЦП не смог запуститься. Поэтому для приложений с большими токами рекомендуется выбирать индукторы с хорошими экранирующими характеристиками и избегать ключевых сигналов при компоновке.
3.2 Декуплирующие индукторы
Декуплирующие индукторы, также известные как дроссели, обычно переводятся как дроссельные катушки в учебниках. Роль декуплирующих индукторов заключается в фильтрации помех на линии, они относятся к устройствам ЭМС, которые инженеры ЭМС в основном используют для решения проблем, связанных с излучением продукта (RE) и испытанием проводимых излучений (CE).
Декуплирующие индукторы обычно имеют относительно простую структуру, в основном состоящую из медной проволоки, непосредственно намотанной на ферритовые кольца. Лично я считаю, что их можно разделить на индукторы дифференциального режима и индукторы общего режима. Концепции общего режима и дифференциального режима здесь не будут подробно рассмотрены.
Индукторы дифференциального режима
Индукторы дифференциального режима - это обычные индукторы с проводной обмоткой, используемые для фильтрации некоторых помех дифференциального режима, в основном образуя LC фильтр с конденсаторами для снижения шума питания.
Для 220V сети переменного тока помехи дифференциального режима относятся к помехам между L фазой и N фазой; для POE это относится к помехам между POE+ и POE-; для низковольтных источников питания на материнских платах это в основном шум питания.
При выборе индукторов дифференциального режима следует обратить внимание на следующие моменты:
Ферритовая бусина также часто используется для фильтрации шума от низковольтных постоянных источников питания на материнской плате, но между ферритовыми бусинами и декуплирующими индукторами есть разница.
-
Ферритовые бусины изготовлены из ферритового материала, и на высоких частотах магнитные потери (эквивалентное сопротивление) феррита становятся очень большими, преобразуя высокочастотный шум в тепловую энергию для рассеивания.
❶ Эквивалентная схема ферритовой бусины
❷ Декуплирующий индуктиватор
Декуплирующий индуктиватор формируется путем намотки двух катушек с одинаковым количеством витков в противоположных направлениях на одном и том же ферритовом сердечнике.
Декуплирующий индуктиватор, показанный на вышеуказанной фигуре:
-
Когда через декуплирующий индуктиватор протекает общий режим, согласно правилу правой руки, в двух катушках формируется магнитное поле с одинаковым направлением, усиливающее друг друга, что соответствует высокой индуктивной реактивности для сигнала общего режима.
-
Когда через декуплирующий индуктиватор протекает дифференциальный режим, согласно правилу правой руки, в двух катушках формируется магнитное поле с противоположными направлениями, которое взаимно уничтожает друг друга, что соответствует низкой индуктивной реактивности для сигнала дифференциального режима.
Чтобы понять это по-другому: когда общий режим помех определенной частоты проходит через V+, образующееся переменное магнитное поле индуцирует ток в другой катушке. Согласно правилу левой руки, направление индуцированного тока противоположно направлению общего режима помех на V-, что частично компенсирует его, уменьшая общий режим помех.
Индуктивные фильтры общего режима в основном используются в двухпроводных или дифференциальных системах, таких как 220V сеть, CAN-шина, USB-сигналы, HDMI-сигналы и т.д. Они предназначены для фильтрации общего режима помех при минимальном ослаблении полезных дифференциальных сигналов.
При выборе декуплирующих индуктиваторов необходимо учитывать следующие моменты:
-
Постоянное сопротивление должно быть низким и не должно оказывать значительного влияния на напряжение или полезные сигналы.
-
Для силовых линий учитывайте номинальное напряжение и ток, чтобы соответствовать эксплуатационным требованиям.
-
Определите частотный диапазон общего режима помех с помощью тестирования, и общее импеданс должно быть относительно высоким в этом частотном диапазоне.
-
Импеданс дифференциального режима должен быть низким и не должен значительно влиять на качество дифференциального сигнала.
-
Учитывайте размер упаковки и дизайн для совместимости. Например, для индуктивных фильтров общего режима, используемых в USB-сигналах, выберите упаковку, которая может быть совместима с двумя резисторами 0402. Когда индуктивные фильтры общего режима не нужны, резисторы 0402 могут быть напрямую припаяны для снижения затрат.
Следующая фигура показывает общее импеданс и импеданс дифференциального режима определенного декуплирующего индуктиватора.
Если частота общего режима помех составляет около 10 МГц, эффект фильтрации очень хорош, но если это 100 кГц, он может быть неэффективным. Если скорость дифференциального сигнала высокая, выше 100 М, это может повлиять на качество сигнала.
3.3 Высокочастотные индуктора
Высокочастотные индуктора в основном используются в радиочастотных схемах таких продуктов, как мобильные телефоны и беспроводные маршрутизаторы, с диапазоном применения от 100 МГц до 6 ГГц.
Высокочастотные индуктора в основном выполняют следующие функции в радиочастотных схемах:
-
Согласование: Вместе с конденсаторами они образуют согласующие сети для устранения несоответствий импеданса между устройствами и линиями передачи, уменьшая отражения и потери.
-
Фильтрация: Вместе с конденсаторами они образуют LC-фильтры для удаления нежелательных частотных компонентов и предотвращения помех, влияющих на работу устройства.
-
AC изоляция: В активных радиочастотных схемах, таких как PA, они изолируют радиочастотные сигналы от постоянного смещения и постоянного питания.
-
Резонанс: Вместе с конденсаторами они образуют LC-осцилляционные схемы, служащие источниками колебаний для VCO.
-
Балун: Это преобразователь сбалансированного и несбалансированного сигналов, который вместе с конденсаторами образует LC-балун для преобразования между однофазными радиочастотными сигналами и дифференциальными сигналами.
Три ранее представленные структуры могут быть использованы для изготовления высокочастотных индуктиваторов, и их характеристики следующие:
Многослойный тип формируется через спекание, создавая интегральную структуру, также известную как монолитная.
Многослойные чиповые индуктора имеют наименьшее значение Q по сравнению с другими двумя типами, но их главное преимущество - низкая стоимость и высокая стоимость-эффективность, что делает их подходящими для большинства приложений без специальных требований. Высокочастотные индуктора TDK и Taiyo Yuden - это все многослойные типы, без проводных или тонкопленочных типов.
Серии MLK от TDK, серии LQG от Murata и серии HK от Taiyo Yuden имеют в основном одинаковые продукты, будучи самыми дешевыми и предлагая высокую стоимость-эффективность.
Конечно, с улучшением технологии производства сейчас существуют высокие значения Q для многослойных чиповых индуктиваторов, такие как серии MHQ от TDK и HKQ от Taiyo Yuden.
Многослойные индуктора TDK лучше и более универсальны, также есть серия MLG с упаковкой 0402, значения индуктивности могут быть сделаны как низкие как 0.3nH, шаг значения 0.1nH, допуск 0.1nH, приближаясь к производительности тонкопленочных индуктиваторов, и цена все еще низкая.
Текущие уровни процессов улучшились, и проводные индуктора также могут быть изготовлены в упаковке 0402.
Процесс проводного типа позволяет проводу быть толще, чем многослойные и тонкопленочные структуры, тем самым достигая крайне низкого постоянного сопротивления. Это также означает крайне высокие значения Q, поддерживая большие токи. Замена немагнитного керамического сердечника на ферритовый сердечник может достичь более высоких значений индуктивности, подходящих для средних частот.
Серии LQW от Murata могут достичь упаковки 03015, с минимальным значением индуктивности 1.1nH; серия 0201DS от Coilcraft может достичь упаковки 0201, утверждая, что это самый маленький проводной индуктиватор в мире.
Используя технологию фотолитографии, точность процесса чрезвычайно высока, поэтому значение индуктивности может быть очень маленьким, размер также может быть очень маленьким, с высокой точностью и стабильным значением индуктивности, и более высоким значением Q.
Серия LQP от Murata может достигать упаковки 01005 с допуском 0,05 нГн для высокоточных продуктов и минимальным значением индуктивности 0,1 нГн. Эти три параметра можно считать текущими пределами индуктивности. Кроме того, серия ATFC-0201HQ от Abracon также может достигать минимума 0,1 нГн.
У Murata есть три типа высокочастотных индуктивностей, сравнивая индуктивности с одинаковым значением индуктивности (1,5 нГн), одинаковой упаковкой и одинаковым допуском.
Можно заметить, что Q-значение проволочно-намотанного типа значительно выше, чем у других двух типов, в то время как значение индуктивности тонкопленочного типа имеет лучшую частотную стабильность, чем у других двух типов. Конечно, стоимость многослойного типа значительно ниже, чем у других двух типов.
При выборе высокочастотных индуктивностей, помимо определения значения индуктивности, номинального тока, рабочей температуры и размера упаковки, также следует обратить внимание на собственную резонансную частоту, Q-значение, допуск значения индуктивности и частотную стабильность значения индуктивности.
Значение индуктивности обычно необходимо определять на основе моделирования, фактической отладки или эталонного дизайна. В большинстве случаев многослойные чиповые высокочастотные индуктивности могут удовлетворить требованиям, но некоторые особые случаи могут требовать внимания:
-
Для значений индуктивности, которые больше, и собственных резонансных частот, которые ниже, важно убедиться, что рабочая частота значительно ниже собственной резонансной частоты.
-
Для высокомощного радиочастотного оборудования с большим смещением тока PA необходимо выбирать проволочно-намотанные типы для удовлетворения требований по току; в то же время высокомощные устройства имеют более высокие температурные подъемы, поэтому необходимо учитывать рабочую температуру.
-
Для некоторых широкополосных устройств, если требуется стабильное значение индуктивности в пределах полосы частот, следует выбирать тонкопленочные индуктивности.
-
В высокоточных VCO-цепях, в качестве LC-резонансного источника, только тонкопленочные индуктивности могут улучшить допуск до 0,05 нГн.
-
Для таких устройств, как мобильные телефоны и носимые устройства, размер может быть самым критическим фактором, и тонкопленочные индуктивности могут быть лучшим выбором.
Некоторые высокочастотные индуктивности имеют направленность, и направление установки на поверхности имеет определенное влияние на значение индуктивности, как показано на рисунке ниже:
Можно заметить, что когда маркировочная точка обращена вбок, значение индуктивности значительно изменяется, поэтому при установке чипа следует позаботиться о том, чтобы маркировочная точка индуктивности была направлена вверх.
Кроме того, во время компоновки следует позаботиться о том, чтобы два индуктивности не располагались слишком близко друг к другу, с расстоянием не менее 20 мил. Причина в том, что магнитные поля будут влиять друг на друга, тем самым влияя на значение индуктивности, как упоминалось в предыдущей схеме общего режима индуктивности.
Заключение:При выборе компонентов важно понимать принципы и применения устройств, учитывая различные факторы, такие как стоимость, снижение номинала и совместимость.
Отказ от ответственности: Эта статья является сетевой перепечаткой, и авторские права принадлежат оригинальному автору. Если есть какие-либо проблемы с авторскими правами на видео, изображения или текст, использованные в этой статье, пожалуйста, сообщите нам немедленно, и мы удалим контент на основе предоставленных вами доказательств.
