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片式電感及其應用

發布時間:2018-11-24發布人:來自互聯網

片式電感及其應用

按照電感器在線路中發揮的功能,主要有兩方面的應用,分別是波形發生器和扼流電抗器。其中,在波形發生方面的應用又包括了諧振電路,振蕩電路,時鐘電路和脈沖電路等。在這類電路中,電感器必須具有高Q、小的電感偏差和穩定的溫度系數。高的Q值使電路具有尖銳的諧振峰值;窄的電感偏差則保證了諧振頻率偏差盡可能的??;而穩定的溫度系數則保證諧振頻率具有穩定的溫度變化特性。
而扼流電抗器是將電感作為扼流圈來使用,這在電源電路中有廣泛應用。這時電感器的主要參數是額定的工作電流、低的直流電阻和低的Q值。
當電感作為扼流電抗器來使用時,總希望用它構成的濾波電路具有寬的頻率抑制特性,因此,這種電感器并不需要有高的Q值。而低的直流電阻可以保證在額定電流通過電感器時,將有最小的電壓降。
這樣看來,同樣是一個電感器,不同的應用場合中對電感器性能要求是不同的。

1 片式電感
片式電感分為繞線型和疊層型兩大類。繞線型電感器是將細的導線繞在軟磁鐵氧體磁芯上制成,外層一般用樹脂封固。其工藝繼承性強,但體積小型化有限。
而片式疊層電感器則不用繞線,是用鐵氧體漿料和導體漿料交替印刷、疊層、燒結,形成閉合磁路;它采用先進的厚膜多層鈍化技術和疊層生產工藝,實現了超小型表面安裝。
疊層型電感的主要特點是有磁屏蔽和直流電阻小。與繞線型相比,電感量和可允許通過的電流相對較小,但是更適合在高頻下使用。
片式電感的材料分成以鐵氧體磁性材料為基體和以陶瓷材料為基體兩個大類。
前者采用鎳鋅系和錳鋅系材料制成各種小型鐵氧體磁芯。大多數片式電感器,特別是片式功率電感器、片式EMI抑制器都使用鎳鋅系材料。
而錳鋅系材料主要用在片式變壓器和片式低頻電感器中。
后者采用低介電常數陶瓷制成的高頻片式疊層電感器,在其制作當中還考慮了抑制雜散電容的問題,用它做成的疊層電感器可以獲得較高的自諧振頻率,用在亞微波到微波波段,適合移動電話向高頻化、網絡化發展的需要。
1)片式疊層電感器
片式疊層電感器,是電感領域重點開發的產品。制作時不用繞線,而用鐵氧體漿料和導電漿料交替進行多層印刷,然后通過高溫共燒結,形成有閉合磁路的電感線圈 (見圖1)?;蛘邔⑽⒚准夎F氧體薄片進行疊層,每個磁性層有印刷的導體圖案和孔,孔中填充導電材料,從而把上層圖案和下層圖案連結起來,經過加壓、燒結,形成一體化的多層電感器。這類電感器制作工藝更加適合尺寸微小型化,容易實現規?;笊a。片式疊層電感器與片式繞線電感器相比有諸多優點:尺寸小,有利于電路的小型化;磁路封閉,不會干擾周圍的元器件,也不會受臨近元器件的干擾,有利于元器件的高密度安裝;一體化結構,可靠性高;耐熱性、可焊性好;形狀規整,適合于自動化表面安裝生產。

目前這類產品已取得較大進展,并通過改進磁性材料性能、改善內部磁路結構和加速器件小型化等措施,不斷拓展其應用市場。片式疊層電感器是面向便攜式電話等移動通信終端的高頻毫微亨級電感器,以及面向個人電腦等高速數字信號處理設備的噪聲抑制器。

2)繞線型片式電感
另一種形式的片式電感器是片式繞線電感器,這是對傳統繞線型電感器的一種改進,采用微小型工字型磁芯,經繞線、焊接、電極成型、塑封等工序制成,見圖2。這種類型的片式電感生產工藝簡單,電性能優良(電感量大,品質因素高),適合于大電流通過,可靠性好。但受磁芯尺寸和制造工藝限制,進一步微小型有困難。

還有一種片式繞線電感是采用H型陶瓷芯,經過繞線、焊接、涂復、環氧樹脂灌封等工藝制成,見圖3,由于電極已預制在陶瓷芯體上,制造工藝更加簡單,而且可以進一步小型化。這類電感的電感量較小,但自諧振頻率高(通常為5~6GHz,最高達12.5GHz),更適合高頻使用。

2 片式電感與片式磁珠的區別
在《片式電磁兼容對策器件》這個話題中,片式電感主要是用來抑制電磁干擾的發生。所以比較電感器與磁珠(包括片式電感與片式磁珠)也應該從這個主題出發。
電感器本身是一個無功元件,它在電路中不消耗能量。電感器之所以能夠阻止高頻信號在線路中流通,發揮對電磁干擾的抑制作用,是因為電感器在高頻信號作用下體現了一個高阻抗元件,阻止了高頻信號在線路中的流通,而將高頻信號反射回干擾源。就這個應用的頻率范圍來說,很少有超過50MHz的。

對磁珠來說,它本身是一個軟磁鐵氧體磁芯,串聯在需要抑制干擾的線路上,誠然在頻率較低時,鐵氧體磁珠在串聯電路上仍然體現為一個電感。然而對于頻率更高的干擾,由于磁芯的磁導率的降低,導致電感的電感量減小,感抗成分減小,因此磁珠電感對于高頻干擾的阻擋作用在減少。而與此同時,磁芯的損耗(渦流損耗) 卻在增加。后者等效為損耗電阻,電阻成分的增加,導致磁珠在線路上的總阻抗依然在增加,所以當高頻干擾通過鐵氧體時,磁珠對高頻干擾的阻擋作用依然在增加,不過這次磁珠不是將高頻干擾反射回干擾源,而是將高頻干擾轉換成熱能的形式給耗散掉了。
這樣看來,電感器和磁珠在結構上沒有本質性的不同,但是從抑制干擾的機理(依照抑制干擾的頻率范圍來劃分)來說,兩者明顯是不同的,一個是將干擾反射回干擾源(指電感),另一個是將干擾吸收掉(指磁珠)。

3 片式共模電感器
在電子設備中,我們要抑制的電磁干擾無非是出現在信號線和電源線上的干擾,因此對于電磁兼容對策器件中的電感器,特別是片式電感器的適用形式也是從這兩方面來分析。
1)信號線的濾波
信號線的濾波作用更多是用來對付來自空間的干擾問題(包括從空間輻射進設備的干擾,和設備向空間發射的干擾)。這說明了電纜線是電磁兼容的薄弱環節,也說明了共模干擾是設備的主要危害。這是信號線所起的天線作用惹的禍?;谶@一原因,對于非屏蔽的信號線端口應當安裝信號線濾波器,濾波器要安裝在信號線進出的交界面上,要濾除的主要是一些頻率相當高的共模干擾信號。
2)電源線的濾波
在設備的電磁干擾的傳播途徑中,電源線是最重要的媒介,因為電源線的長度(包括設備的電源進線和電力傳輸的架空線延伸)足以構成射頻信號的被動天線。此外,電網內的各種設備開、關和運行中形成的騷動也在電網中肆意流傳。上述干擾對電網內的敏感設備的可靠工作造成威脅。射頻信號在電源線上的傳輸是以兩種模式進行的,一種是共模型式,在線一大地及中線一大地兩個路徑上出現;另一種是差模型式,在線一中線里傳播。
電源線濾波器則被安插在電源線上,專門用來抑制射頻信號傳播的器件。
在電源線濾波器設計中往往不用差模電感,而采用共模電感。共模電感的兩個線圈繞在同一磁芯上(同名端在線圈的同一側),這種繞線方法對于差模電流(包括電源電流)產生的磁通相互抵消,不會產生磁路飽和;而對共模電流則體現一個很大的電感,取得大的濾波效果。
應當指出的是,共模電感器的兩個線圈繞制不可能完全對稱,因此共模電感器實際上還是殘留一定程度的差模電感成分,對于差模干擾仍有一定程度抑制作用。
這樣看來,無論是信號線或者是電源線,從抑制電磁干擾的角度出發,用得最多的還是共模抑制措施。因此從使用片式電感器的角度出發,用得最多的還是片式共模電感器。另外,從電磁兼容對策器件生產商提供的電感器來說也是片式共模電感器。

4 片式共模電感器舉例
1)片式共模電感例
這里舉日本村田制作所的片式共模電感為例,村田的片式共模電感擁有多個不同的子系列,其中:
DLP S系列為薄膜型片式共模電感,在一個元件中含有一個雙路工作的共模電感。該系列產品有線路阻抗匹配功能(共模阻抗為67~550 Ω,其間有若干檔),可在不造成高速信號傳輸失真情況下實現差分信號的噪聲抑制。用于USB 2.0、IEEE 1934、LVDS的高速差分信號線的共模噪聲抑制。常用于移動電話、筆記本電腦、數碼相機和數碼錄像機。
DLP D系列為薄膜型片式共模電感,在一個元件中含有兩個雙路工作的共模電感。該系列產品有線路阻抗匹配功能(共模阻抗為67~440Ω,其間有若干檔),可在不造成高速信號傳輸失真情況下實現差分信號的噪聲抑制。用于USB 2.0、IEEE1934、LVDS、 DVI、HDMI的高速差分信號線的共模噪聲抑制。常用于電腦、筆記本電腦主板、打印機、掃描儀、LED顯示器、游戲機和電腦外圍設備
DLM G系列疊層共模電感,其中DLM11G可以同時實現共模和差模噪聲的抑制。在100MHz時的共模阻抗為600Ω,差模阻抗為1 200Ω??刹扇「呙芏劝惭b(窄中心距),用于個人移動通信設備(如移動電話的麥克風、揚聲器和耳機),以及電活機和個人移動設備(PDA、數碼相機、 MD播放機)的噪聲抑制。
另一種,D L M 2 H G疊層共模電感,它100MHz時的共模阻抗為600Ω,內部含有三根連接線,可用于高品質的數字音樂設備的耳機線。特點是音頻信號失真低,串音低,對共模和差模噪聲均有抑制能力。典型應用例子有DVD、MD播放機、筆記本電腦和PDAM的耳機線。
DLW21S系列繞線型片式共模電感,它的共模阻抗為67~370Ω,中間有若干檔次,可匹配阻抗為100Ω的線路,在不造成高速信號傳輸失真情況下實現差分信號的噪聲抑制;小尺寸更實現了高密度裝配。常用在DVD錄像機、電腦、LCD電視機和顯示器中用于數字AV接口(如HDMI和DVI等)、電腦外設的USB線,筆記本電腦和LCD的LVDS線的USB線。
DLW31S系列繞線型片式共模電感,共模阻抗為90~2200 Ω,在高頻時的高共模阻抗對噪聲有極好的抑制功能,DLW31S的高耦合性能可在不造成高速信號傳輸失真的情況下實現差分線的噪聲抑制。常用于電腦、外設中的USB線,筆記本電腦和LCD的LVDS線。
DLW21H系列繞線型片式電感,共模阻抗有67、90、120和180Ω幾種,由于DLW21H系列的高耦合性,不會對高速信號傳輸造成失真,常用在小而薄的數字設備(如電腦、外設和通信設備)中的信號差分線(USB2.0、IEEE1934和LVDS)共模噪聲抑制。
DLW5AH/5BS系列高性能繞線型片式共模電感,其外形尺寸為5.0×5.0×4.5mm,共模阻抗達到190~4 000Ω,通過電流為200mA~5A。由于100MHz時的共模阻抗最大值可達到4 000Ω,實現了大的噪聲抑制。另外,由于最大通過電流可達5A,非常適合于在電源線上使用。該系列的高耦合共模結構不會損害高速信號的傳輸??捎糜诒銛y設備的AC適配器中的直流電源線。DC-DC轉換器、電池充電器中的直流電源線。DLW 5 BT系列繞線型片式共模電感,外形尺寸為5.0×5.0×2.5mm,該系列電感為薄型結構。在100MHz時的共模阻抗最大值可達1 400Ω,最大通過電流可達6A。適合于DC-DC轉換器、電池充電器等電源設備;PDA(個人數字助理)、筆記本電腦、打印機等便攜設備使用。
2)片式共模電感的應用
(1)USB接口噪聲的抑制例
USB接口噪聲的抑制例見圖4,其中VDD/GND線用DLW5BSN35 1SQ2高性能繞線型共模電感(或BLM21PG221SN1片式磁珠);D+/D一線用DLP31SN221SL2或DLP31SN121SL2片式共模電感(如采用片式磁珠,對1.5Mbps傳輸速率用BLM21BD102SN1,對12Mbps用BLM21BB221SN1)。


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