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去耦电感-扼流圈

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去耦电感-扼流圈

电源适配器去耦电感也叫Choke,教科书上通常翻译成扼流圈。去耦电感的作用是滤除线路上的干扰,属于EMC器件,EMC工程师主要用来解决产品的辐射发射(RE)和传导发射(CE)的测试问题。

电源适配器去耦电感,通常结构比较简单,大都是铜丝直接绕在铁氧体环上。个人觉得可以简单地分为差模电感和共模电感。这里不再赘述共模和差模的概念,可以参考以下两本书籍的相关章节。


6w电源适配器差模电感

电源适配器差模电感就是普通的绕线电感,用于滤除一些差模干扰,主要就是与电容一起构成LC滤波器,减小电源噪声。



对于220V市电,差模干扰就是L相到N相之间的干扰;对POE来说,就是POE+和POE-之间的干扰;对于主板上的低压直流电源,其实就是电源噪声。

6w电源适配器差模电感选型需要注意一下几点:

• 直流电阻、额定电压和电流,要满足工作要求;

• 结构尺寸满足产品要求;

• 通过测试确定噪声的频段,根据电感的阻抗曲线选择电感;

• 设计LC滤波器,可以做简单的计算和仿真。

磁珠(Ferrite Bead),也常用来滤除主板上的低压直流电源的噪声,但磁珠与去耦电感有区别的。

• 磁珠是铁氧体材料烧制而成,高频时铁氧体的磁损耗(等效电阻)变得很大,高频噪声被转化成热能耗散了;

• 去耦电感是线圈和磁芯组成,主要是线圈电感起作用;

• 磁珠只能滤除较高频的噪声,低频不起作用;

• 去耦电感可以绕制成较高感值,滤除低频噪声。

电源适配器磁珠等效电路模型



电源适配器共模电感

电源适配器共模电感就是在同一个铁氧体环上绕制两个匝数相同、绕向相反的线圈。



如上图所示的共模电感:

当有共模成分流过共模电感时,根据右手定则,会在两个线圈形成方向相同的磁场,相互加强,相当于对共模信号存在较高的感抗;
当有差模成分流过共模电感时,根据右手定则,会在两个线圈形成方向相反的磁场,相互抵消,相当于对差模信号存在较低的感抗。
换一个方式理解:当V+上流过一个频率的共模干扰,形成的交变磁场,会在另一个线圈上形成一个感应电流,根据左手定则,感应电流的方向与V-上共模干扰的方向相反,就抵消了一部分,减小了共模干扰。

共模电感主要用于双线或者差分系统,如220V市电、CAN总线、USB信号、HDMI信号等等。用于滤除共模干扰,同时有用的差分信号衰减较小。

共模电感选型需要注意一下几点:

直流阻抗要低,不能对电压或有用信号产生较大影响;
用于电源适配器电源线的话,要考虑额定电压和电流,满足工作要求;
通过测试确定共模干扰的频段,在该频段内共模阻抗应该较高;
差模阻抗要小,不能对差分信号的质量产生较大影响;
考虑封装尺寸,做兼容性设计。例如用于USB信号的共模电感,选择封装可以与两个0402的电阻做兼容,不需要共模电感时,可以直接焊0402电阻,降低成本。
下图是某共模电感的共模阻抗和差模阻抗。
如果共模干扰频率在10MHz左右,滤波效果很好,但如果是100kHz,可能就没什么效果。如果差分信号速率较高,100M以上,可能就会影响信号质量。

 电源适配器高频电感

高频电感主要应用于手机、无线路由器等产品的射频电路中,从100MHz到6GHz都有应用。

高频电感在射频电路中主要有以下几种作用:

匹配(Matching):与电容一起组成匹配网络,消除器件与传输线之间的阻抗失配,减小反射和损耗;
滤波(Filter):与电容一起组成LC滤波器,滤出一些不想要的频率成分,防止干扰器件工作;
隔离交流(Choke):在PA等有源射频电路中,将射频信号与直流偏置和直流电源隔离;
谐振(Resonance):与电容一起构成LC振荡电路,作为VCO的振荡源;
巴仑(Balun):即平衡不平衡转换,与电容一起构成LC巴仑,实现单端射频信号与差分信号之间的转换。
之前介绍的三种结构,都可以用来制作高频电感,下面介绍下他们的特点:

多层型

多层型通过烧结,形成一个整体结构,或叫独石型(Monolithic)



多层片状电感的,相比于其他两种就是Q值较低,较大的优势就是成本低,性价比高,适合于大多数没有特殊要求的应用。TDK和Taiyo Yuden的高频电感都只有多层型,没有绕线型和薄膜型。

TDK的MLK系列、Murata的LQG系列、Taiyo Yuden的HK系列,这三个系列的产品基本一样,较便宜,性价比高。

当然随着工艺技术的提升,现在也有高Q值系列的多层片状电感,例如TDK的MHQ系列、太阳诱电的HKQ系列。

TDK的多层电感做的更好更全,还有一个MLG系列,有0402封装,感值可以做0.3nH,Value Step 0.1nH,容差0.1nH,接近薄膜电感的性能,价格还便宜。

绕线型

现在的工艺水平已经越来越高,绕线电感也可以做到0402封装。



绕线型工艺,其导线可以做到比多层和薄膜结构粗,因此可以获得极低的直流电阻。也意味着极高的Q值,同时可以支持较大的电流。将无磁性的陶瓷芯换成铁氧体磁芯,可以得到较高的感值,可以应用与中频。

Murata的LQW系列可以做到03015封装,较小感值1.1nH;Coilcraft的0201DS系列,可以做到0201封装,号称世界上较小的绕线电感。

薄膜型

采用光刻工艺,工艺精度极高,因此电感值可以做到很小,尺寸也可以做到很小,精度高,感值稳定,Q值较高。



Murata的LQP系列,可以做到01005封装,高精度产品的容差可以做到0.05nH,较小感值可以到0.1nH,这三个参数值可以说是当前电感的极限了。其他,像Abracon的ATFC-0201HQ系列也可以做到较小0.1nH。

Murata有三种工艺的高频电感,选择了同感值(1.5nH)、同封装、同容差的电感对比。



可以看出绕线型的Q值明显高于其他两种,而薄膜型的电感值的频率稳定性高于其他两种。当然,多层型的成本明显低于其他两种。

选择高频电感时,除了需要确定电感值、额定电流、工作温度、封装尺寸外,还要关注自谐振频率、Q值、电感值容差、电感值频率稳定性。

电感值通常需要根据仿真、实际调试或者参考设计来确定。大多数情况,多层片状高频电感已能满足要求,一些特殊场合可能需要关注:

电感值较大,自谐振频率较低,需要注意工作频率应远低于自谐振频率。
大功率射频设备,PA偏置电流较大,需要选择绕线型以满足电流要求;同时大功率设备温升较高,需要考虑工作温度;
对于一些宽带设备,需要电感值在带宽内稳定,那么应选择薄膜电感;
对于高精度的VCO电路中,作为LC谐振源,只有薄膜电感能提高0.05nH的容差;
像手机、穿戴式设备,尺寸可能是较关键的因素,薄膜电感可能是比较好的选择。
有一些高频电感具有方向性,贴片安装的方向对电感值有一定影响,如下图所示:



可以看出,标记点朝侧面,感值变化较大,所以贴片时应注意让电感上的标记点朝上。

另外,Layout时,应注意两个电感不能紧邻着放置,至少距离20mil以上。原因就是磁场会相互影响,从而影响感值,参考前文共模电感示意图。

结语:选型要清楚器件的原理和应用,综合考虑成本、降额、兼容性等多种因素。

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| 发布时间:2018.06.21    来源:电源适配器厂家
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