何谓电感器

有时候叫“电感器”,有时候叫“线圈”,教科书里讲的是“弹簧形”的电感器,而实际使用的电感器却可能是截然不同的表面贴装型,对于初次接触的工程师来说,电感器估计是一种相当棘手的元件。 电感器与电阻器R、电容器C一样,都是无源元件的重要组成部分,在电子设备中必然会使用到。在正文中,我们将运用少量的电磁学知识,来加深大家对于电感器的理解。

电感器的原理

电流通过电线时,将会以电线为中心而产生同心圆形状的磁场。此时,如果将电线弯成(图1)中的“弹簧形”,电感器内部的磁通量将指向同一方向,从而增强。通过调整圈数,可以产生与圈数成正比的磁场。这就是电感器的原理。
电流通过电感器会产生磁场,相反,磁场变化则会产生电流。

(电磁感应定律)

           d i 
      E = L ・――― 
           d t 
   L: 电感器的自感 
   E: 反电动势

图-1 电感器的原理

电感器中产生的反电动势E,与单位时间的电流变化率(di/dt)成正比,因此在一定电流持续沿同一方向流动的直流电通过时不会发生。也就是说,电感器对于直流电流没有任何作用,只对交流电起到阻碍电流的作用。利用电感器的这一性质,在交流电路中可以用作电阻(阻抗)。电感器具备的阻抗Z(单位Ω)为:

Z=ωL=2πfL

f为交流频率、L为电感器的自感。

铁芯的作用

电感器的截面积S越大、磁路(磁通量的通道)越短,磁通量越大。而且,磁通量具有在磁阻小的位置集中的性质。因此,在电感器中插入磁导率大的强磁体,可以增大磁通量。这就是铁芯存在的理由,当需要大电感或希望实现电感器小型化时,可以插入磁导率大的磁体铁芯。(图-2)

图-2 电感

电感与圈数n的二次方、绕线半径a的二次方成正比,与铁芯的磁导率μ成正比。

无限长螺线管的电感为:
 L=μn2S
 S=πa2
这里的L定义为电感。μ是铁芯的磁导率,空芯时为1.0(=空气的磁导率)。
但铁芯存在磁滞特性。特性会随磁通量、材料、温度产生变化,或出现损耗和应变。
而且还具有令人匪夷所思的性质,在达到磁饱和后,电感器的特性会消失。

电源电路用电感器的关键词

对于转换电压和电流、传输电能的电路所使用的电感器,能量损耗低是一个重要条件。电能在通过电感器的过程中,一部分会转化成热量,释放到环境中。这种能量损耗可以分成“铁损”、“铜损”2种损耗来进行考虑。

● 铁损(iron loss、core loss)

交流磁通量通过铁芯时,铁芯内产生的磁滞损耗与涡流损耗之和,是铁芯内产生的功率损耗的总称。

● 磁滞损耗(hysteresis loss)

指磁滞现象造成的热损耗。绕磁滞回线(图-3)一圈后,铁芯的磁化将回到原来的状态。其间施加的能量将以热的形式释放。这就是磁滞损耗。



● 涡流损耗(eddy current loss)

磁通量发生变化将会产生电流。磁通量穿过铁芯表面时,将会产生垂直于磁通量的同心圆形电流。这就是涡流,在铁芯的电阻的作用下,涡流将会转变成热量,造成能量损耗。损失的能量叫作涡流损耗。

● 铜损(copper loss)

电线缠绕成线圈后,在其电阻的作用下,电流转变成热量所造成的损耗,叫作铜损。这个称谓是因绕线材料使用铜线而得名。

高频电路用电感器的关键词

在高频电路中,表示电感器性能的指标为Q。为方便理解,可以将其看作是表示高频损耗有多低的指标。
与电容器组合构成谐振电路时,要尽量选择Q值高的电感器。

● Q因数(quality factor)

表示共振尖锐程度的值。一般来说,Q值越大,共振越尖锐,电感器越好。
频率增大后,电线的趋肤效应、铁芯材料的磁滞损耗和涡流损耗增加,会使Q值降低。也就是说,在高频下很难得到Q值高的电感器,换言之,即使在高频下,也很难得到高阻抗的电感器。 

在LCR串联谐振电路中表示为
   ω L    1
Q = ―――  =  ―――  
    R    ω CR

● 自共振频率(self resonant frequency)

电感器的等效电路如图-4所示,除原有的电感外,还包括在缠绕的电线之间形成的电容(线间电容)和绕线电阻等组成部分。
线间电容Cr非常小,在低频下不构成问题,但在高频电路中使用电感器时,需要考虑其影响。
下面来看一下电感器的阻抗特性(Z-f特性)。电感器的阻抗为Z=2πfL,阻抗随频率的增大而增加。但在某一频率fo下,电感器原本的电感L与线间电容Cr将发生共振现象。而在更高的频率下,线间电容Cr占据主导,阻抗将会降低。

图-4 电感器的等效电路

 

图-5 自共振频率
作为阻抗拐点的频率fo,叫作自共振频率。在高于自共振频率fo的频率下,电感器将不再发挥电感器的作用。(图-5)

在高频率下使用电感器时,请通过规格书和数据确认fo。表1是高频电感器规格的一个示例。

表-1 高频电感器的规格

电感器的种类与特点

电感器种类繁多,有的用功能来称呼,例如“轭流线圈”、“点火线圈”等,有的像“片式电感器”一样,用形状来表示。一个电感器根据用途的不同,会有许多个名称,容易造成混乱。
下面就从不同的切入点来介绍电感器。

根据绕线结构分类

● 绕线电感器

说起线圈,大家最熟悉的估计要数弹簧型电感器。 
照片-1 弹簧型电感器 

这种电感器基本上是将带绝缘膜的铜线也就是磁线,卷成像弹簧一样的螺旋状,也有缠在塑料线轴上的类型和直接缠在成型的铁氧体铁芯上的类型。(图7)

图-8 矩形磁线的效果
为满足小型化、薄型化的需求,此类电感器涌现出了许多种绕线结构。其中不乏使用矩形磁线而非圆形的类型。(图8)如此一来,就消除了绕线部分的间隙。圈数相同时,铜线的截面积增大,直流电阻则会缩小,铜损也会减少。由此可以制作出高效率的电感器。

出于相同的理由,使用铜板代替磁线的类型也早已投入实用。

● 叠层电感器

相比能量效率,高频电路用电感器更重视小型化和高频特性,如今已经出现了抛弃“缠绕”思路,而在薄片和基板上印刷导体金属的电感器。
在由铁氧体和陶瓷材料延展成薄片状的生片上,印刷几分之一圈的电感器。重叠多层即为电感器。随着生片的薄层化、微细印刷技术、使用导通孔连接层间的技术的进步,制作小型、高电感的电感器成为了可能。(图9)

图-9 叠层电感器


● 薄膜电感器
与通过丝网印刷方式印刷绕线的叠层电感器相对应,使用溅射和蒸镀技术,通过比印刷更薄的金属膜,来形成线圈图案的电感器,叫作薄膜电感器。通过运用半导体制造技术,提供小型、高精度的电感器。(图10)

图-10 薄膜电感器

根据贴装形态分类


有用于流体贴装的引线型电感器和表面贴装型(片式电感器)。

根据磁芯材质分类

● 硅钢板

擅长在低频带使用的材料,在商用频带(50/60Hz)大量用于电源变压器、轭流线圈等。在铁中添加百分之几的硅,可以提高磁导率,还能降低老化程度。以此为材料进行冷轧,制成厚度为0.05~0.5mm左右的板状,再冲压成E型I型,将几十张重叠在一起使用。
为防止涡流造成的损耗,铁芯表面要一一绝缘。频率越高,使用的钢板要越薄。

● 坡莫合金

在铁中添加镍制成的高磁导率材料叫作坡莫合金。通过调整镍的含量,初始磁导率和饱和磁通量密度会发生变化,因而适用于低频信号用变压器、轭流线圈等。

● 压粉磁芯

由以钼为主要成分的细颗粒粉末压制而成,磁阻高于硅钢板,因此可以缩小涡流造成的损耗。适用于电源线滤波器、开关电源的高频平滑线圈等。

● 铁氧体磁芯

 应用广泛的高频率用高磁导率材料。主要成分氧化铁(Fe2O2)与锰、镁、镍、锌等的金属化合物混合,经高温烧结制成。代表性铁氧体有Mn-Zn类、Ni-Zn类等。

● 空芯

不使用磁体作为芯材的电感器叫作空芯电感器。芯材中空(空气),以及芯材使用氧化铝等非磁体材料的绕线电感器、堆叠非磁性材料片材的叠层电感器、使用非磁性材料基板的薄膜电感器等,都属于空芯电感器。之所以叫作空芯电感器,是因为没有一般所说的磁体铁芯(=空)。

电感器的使用方法

下面将电感器按照用途分类,来检验其使用方法。

电源电路用电感器

开关电源、DC/DC换流器等能量转换电路中使用的电感器。多数情况下用作“轭流线圈”。 
设计电源设备时,分散产生的热量是重要的设计要点,在选择热量发生源的变压器和电感器时,也务必要选择低损耗的类型。 
图-13是用作手机电池充电器的AC适配器的电路图。

L1和L2都是用来去除噪声的电感器。AC适配器要插入家中的插座使用,因此需要去除噪声,以防AC适配器内部产生的电磁噪声传导至其他设备。
低通滤波器通常由跨线电容器Cx和线路旁路电容器Cy组成。如图13所示,L1、L2均用作正常模式电感器。C1是起到跨线电容器作用的薄膜电容器。

L3是平滑用轭流线圈。其作用是以经过二极管整流、电容器平滑后含有纹波的输出电流为对象,使用轭流线圈的阻抗进行平滑。轭流线圈中会通过AC适配器的输出电流,计算出必要的电感值后,请参考留给轭流线圈的贴装空间,尽可能选择直流电阻低的轭流线圈。

高频电路用电感器

RF电路的共振用电感器、阻抗匹配、谐波陷波器等,要选择高频特性优异的电感器。

● 选择Q值高的电感器
Q是衡量高频损耗的指标。与电源电路用电感器的铜损一样,考虑的重点是电阻值低。但这里必须要考虑的电阻值并不是直流电阻,而是高频电阻。
高频时趋肤效应(skin effect)趋于明显,因此与导体的截面积相比,增大表面积更加重要。而且,铁芯内的磁通量也存在相同的现象,所以要通过增大线圈直径来降低实效磁阻。(图-14)

● 选择自共振频率高的电感器
在高频带,构成电感器的绕线与外部端子等相互影响,会产生微小的杂散电容Cr。Cr与电感器的电感L有发生共振现象的频率(fo),在共振频率以上时,电感器表现出符合电容器特征的阻抗特性。(图-15)

尽管高频电感器的设计考量周密,但在使用比较大型的电感器和高电感值的电感器时,依然需要加以注意。
电感器生产厂家的产品目录中记载了自共振频率的数据,请确认其能够在所用频率下使用。
图-15 自共振频率的示例

● 选择电感偏差小的电感器

在电感器的制造工序中,材料和加工精度免不了出现波动。产品之间和批次之间必然会产生偏差。 
在需要为操作偏差确保余量的电路中,与其他元件一样,电感器也要选择偏差小的规格。

● 高频电感器的使用示例

图-16是基于变形克拉普电路的压控振荡器(Voltage controlled oscillator:VCO)的设计示例。
图-16 VCO的电路示例
VCO是利用可变电容二极管(VC1)的电容值随反向偏置电压变化的特性来改变振荡频率。

对于VCO电路的供电电源,重要的是电压稳定、噪声小。L1是用于施加稳定偏置电压的电感器。为了实现稳定输出,必须选择电感偏差小的电感器。
L2通过与电容器C并联谐振,确定振荡频率。不仅电感偏差要小,Q值也必须高。

高频电感器根据构成线圈部分的工艺,有“绕线”、“薄膜”、“叠层”3种电感器。每种电感器有各自擅长和不擅长的领域,请根据用途进行选择。

共模轭流线圈

是铁氧体磁芯采用两种绕线的EMI(辐射电磁噪声)抑制元件,主要用于电源线以及USB2.0、PCI和LVDS等使用差分信号的接口电路等。作为电子设备的EMI抑制措施,发挥着重要的作用。

共模轭流线圈的特点,是使用噪声与信号的传输模式的差异来去除噪声,因此对信号成分的正常模式没有负面影响,能够选择性地去除作为辐射噪声发生源的共模成分。(图-17)

图-17 共模轭流线圈的原理

共模轭流线圈的原理