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去耦電感-扼流圈

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去耦電感-扼流圈

電源適配器去耦電感也叫Choke,教科書上通常翻譯成扼流圈。去耦電感的作用是濾除線路上的干擾,屬于EMC器件,EMC工程師主要用來解決產(chǎn)品的輻射發(fā)射(RE)和傳導(dǎo)發(fā)射(CE)的測試問題。

電源適配器去耦電感,通常結(jié)構(gòu)比較簡單,大都是銅絲直接繞在鐵氧體環(huán)上。個人覺得可以簡單地分為差模電感和共模電感。這里不再贅述共模和差模的概念,可以參考以下兩本書籍的相關(guān)章節(jié)。


6w電源適配器差模電感

電源適配器差模電感就是普通的繞線電感,用于濾除一些差模干擾,主要就是與電容一起構(gòu)成LC濾波器,減小電源噪聲。



對于220V市電,差模干擾就是L相到N相之間的干擾;對POE來說,就是POE+和POE-之間的干擾;對于主板上的低壓直流電源,其實(shí)就是電源噪聲。

6w電源適配器差模電感選型需要注意一下幾點(diǎn):

? 直流電阻、額定電壓和電流,要滿足工作要求;

? 結(jié)構(gòu)尺寸滿足產(chǎn)品要求;

? 通過測試確定噪聲的頻段,根據(jù)電感的阻抗曲線選擇電感;

? 設(shè)計(jì)LC濾波器,可以做簡單的計(jì)算和仿真。

磁珠(Ferrite Bead),也常用來濾除主板上的低壓直流電源的噪聲,但磁珠與去耦電感有區(qū)別的。

? 磁珠是鐵氧體材料燒制而成,高頻時鐵氧體的磁損耗(等效電阻)變得很大,高頻噪聲被轉(zhuǎn)化成熱能耗散了;

? 去耦電感是線圈和磁芯組成,主要是線圈電感起作用;

? 磁珠只能濾除較高頻的噪聲,低頻不起作用;

? 去耦電感可以繞制成較高感值,濾除低頻噪聲。

電源適配器磁珠等效電路模型



電源適配器共模電感

電源適配器共模電感就是在同一個鐵氧體環(huán)上繞制兩個匝數(shù)相同、繞向相反的線圈。



如上圖所示的共模電感:

當(dāng)有共模成分流過共模電感時,根據(jù)右手定則,會在兩個線圈形成方向相同的磁場,相互加強(qiáng),相當(dāng)于對共模信號存在較高的感抗;
當(dāng)有差模成分流過共模電感時,根據(jù)右手定則,會在兩個線圈形成方向相反的磁場,相互抵消,相當(dāng)于對差模信號存在較低的感抗。
換一個方式理解:當(dāng)V+上流過一個頻率的共模干擾,形成的交變磁場,會在另一個線圈上形成一個感應(yīng)電流,根據(jù)左手定則,感應(yīng)電流的方向與V-上共模干擾的方向相反,就抵消了一部分,減小了共模干擾。

共模電感主要用于雙線或者差分系統(tǒng),如220V市電、CAN總線、USB信號、HDMI信號等等。用于濾除共模干擾,同時有用的差分信號衰減較小。

共模電感選型需要注意一下幾點(diǎn):

直流阻抗要低,不能對電壓或有用信號產(chǎn)生較大影響;
用于電源適配器電源線的話,要考慮額定電壓和電流,滿足工作要求;
通過測試確定共模干擾的頻段,在該頻段內(nèi)共模阻抗應(yīng)該較高;
差模阻抗要小,不能對差分信號的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響;
考慮封裝尺寸,做兼容性設(shè)計(jì)。例如用于USB信號的共模電感,選擇封裝可以與兩個0402的電阻做兼容,不需要共模電感時,可以直接焊0402電阻,降低成本。
下圖是某共模電感的共模阻抗和差模阻抗。
如果共模干擾頻率在10MHz左右,濾波效果很好,但如果是100kHz,可能就沒什么效果。如果差分信號速率較高,100M以上,可能就會影響信號質(zhì)量。

 電源適配器高頻電感

高頻電感主要應(yīng)用于手機(jī)、無線路由器等產(chǎn)品的射頻電路中,從100MHz到6GHz都有應(yīng)用。

高頻電感在射頻電路中主要有以下幾種作用:

匹配(Matching):與電容一起組成匹配網(wǎng)絡(luò),消除器件與傳輸線之間的阻抗失配,減小反射和損耗;
濾波(Filter):與電容一起組成LC濾波器,濾出一些不想要的頻率成分,防止干擾器件工作;
隔離交流(Choke):在PA等有源射頻電路中,將射頻信號與直流偏置和直流電源隔離;
諧振(Resonance):與電容一起構(gòu)成LC振蕩電路,作為VCO的振蕩源;
巴侖(Balun):即平衡不平衡轉(zhuǎn)換,與電容一起構(gòu)成LC巴侖,實(shí)現(xiàn)單端射頻信號與差分信號之間的轉(zhuǎn)換。
之前介紹的三種結(jié)構(gòu),都可以用來制作高頻電感,下面介紹下他們的特點(diǎn):

多層型

多層型通過燒結(jié),形成一個整體結(jié)構(gòu),或叫獨(dú)石型(Monolithic)



多層片狀電感的,相比于其他兩種就是Q值最低,最大的優(yōu)勢就是成本低,性價(jià)比高,適合于大多數(shù)沒有特殊要求的應(yīng)用。TDK和Taiyo Yuden的高頻電感都只有多層型,沒有繞線型和薄膜型。

TDK的MLK系列、Murata的LQG系列、Taiyo Yuden的HK系列,這三個系列的產(chǎn)品基本一樣,最便宜,性價(jià)比高。

當(dāng)然隨著工藝技術(shù)的提升,現(xiàn)在也有高Q值系列的多層片狀電感,例如TDK的MHQ系列、太陽誘電的HKQ系列。

TDK的多層電感做的更好更全,還有一個MLG系列,有0402封裝,感值可以做0.3nH,Value Step 0.1nH,容差0.1nH,接近薄膜電感的性能,價(jià)格還便宜。

繞線型

現(xiàn)在的工藝水平已經(jīng)越來越高,繞線電感也可以做到0402封裝。



繞線型工藝,其導(dǎo)線可以做到比多層和薄膜結(jié)構(gòu)粗,因此可以獲得極低的直流電阻。也意味著極高的Q值,同時可以支持較大的電流。將無磁性的陶瓷芯換成鐵氧體磁芯,可以得到較高的感值,可以應(yīng)用與中頻。

Murata的LQW系列可以做到03015封裝,最小感值1.1nH;Coilcraft的0201DS系列,可以做到0201封裝,號稱世界上最小的繞線電感。

薄膜型

采用光刻工藝,工藝精度極高,因此電感值可以做到很小,尺寸也可以做到很小,精度高,感值穩(wěn)定,Q值較高。



Murata的LQP系列,可以做到01005封裝,高精度產(chǎn)品的容差可以做到0.05nH,最小感值可以到0.1nH,這三個參數(shù)值可以說是當(dāng)前電感的極限了。其他,像Abracon的ATFC-0201HQ系列也可以做到最小0.1nH。

Murata有三種工藝的高頻電感,選擇了同感值(1.5nH)、同封裝、同容差的電感對比。



可以看出繞線型的Q值明顯高于其他兩種,而薄膜型的電感值的頻率穩(wěn)定性高于其他兩種。當(dāng)然,多層型的成本明顯低于其他兩種。

選擇高頻電感時,除了需要確定電感值、額定電流、工作溫度、封裝尺寸外,還要關(guān)注自諧振頻率、Q值、電感值容差、電感值頻率穩(wěn)定性。

電感值通常需要根據(jù)仿真、實(shí)際調(diào)試或者參考設(shè)計(jì)來確定。大多數(shù)情況,多層片狀高頻電感已能滿足要求,一些特殊場合可能需要關(guān)注:

電感值較大,自諧振頻率較低,需要注意工作頻率應(yīng)遠(yuǎn)低于自諧振頻率。
大功率射頻設(shè)備,PA偏置電流較大,需要選擇繞線型以滿足電流要求;同時大功率設(shè)備溫升較高,需要考慮工作溫度;
對于一些寬帶設(shè)備,需要電感值在帶寬內(nèi)穩(wěn)定,那么應(yīng)選擇薄膜電感;
對于高精度的VCO電路中,作為LC諧振源,只有薄膜電感能提高0.05nH的容差;
像手機(jī)、穿戴式設(shè)備,尺寸可能是最關(guān)鍵的因素,薄膜電感可能是比較好的選擇。
有一些高頻電感具有方向性,貼片安裝的方向?qū)﹄姼兄涤幸欢ㄓ绊?,如下圖所示:



可以看出,標(biāo)記點(diǎn)朝側(cè)面,感值變化較大,所以貼片時應(yīng)注意讓電感上的標(biāo)記點(diǎn)朝上。

另外,Layout時,應(yīng)注意兩個電感不能緊鄰著放置,至少距離20mil以上。原因就是磁場會相互影響,從而影響感值,參考前文共模電感示意圖。

結(jié)語:選型要清楚器件的原理和應(yīng)用,綜合考慮成本、降額、兼容性等多種因素。

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| 發(fā)布時間:2018.06.21    來源:電源適配器廠家
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