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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品的輻射發(fā)射(RE)和傳導發(fā)射(CE)的測試問題。

電源適配器去耦電感，通常結構比較簡單，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：

? 直流電阻、額定電壓和電流，要滿足工作要求；

? 結構尺寸滿足產品要求；

? 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；

? 設計LC濾波器，可以做簡單的計算和仿真。

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，相當于對共模信號存在較高的感抗；
當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，相當于對差模信號存在較低的感抗。
換一個方式理解：當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電流，根據(jù)左手定則，感應電流的方向與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：

直流阻抗要低，不能對電壓或有用信號產生較大影響；
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，在該頻段內共模阻抗應該較高；
差模阻抗要小，不能對差分信號的質量產生較大影響；
考慮封裝尺寸，做兼容性設計。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量。

 電源適配器高頻電感

高頻電感主要應用于手機、無線路由器等產品的射頻電路中，從100MHz到6GHz都有應用。

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絡，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)：與電容一起構成LC振蕩電路，作為VCO的振蕩源；
巴侖(Balun)：即平衡不平衡轉換，與電容一起構成LC巴侖，實現(xiàn)單端射頻信號與差分信號之間的轉換。
之前介紹的三種結構，都可以用來制作高頻電感，下面介紹下他們的特點：

多層型

多層型通過燒結，形成一個整體結構，或叫獨石型(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，性價比高，適合于大多數(shù)沒有特殊要求的應用。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，這三個系列的產品基本一樣，最便宜，性價比高。

當然隨著工藝技術的提升，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，價格還便宜。

繞線型

現(xiàn)在的工藝水平已經越來越高，繞線電感也可以做到0402封裝。



繞線型工藝，其導線可以做到比多層和薄膜結構粗，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、實際調試或者參考設計來確定。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注：

電感值較大，自諧振頻率較低，需要注意工作頻率應遠低于自諧振頻率。
大功率射頻設備，PA偏置電流較大，需要選擇繞線型以滿足電流要求；同時大功率設備溫升較高，需要考慮工作溫度；
對于一些寬帶設備，需要電感值在帶寬內穩(wěn)定，那么應選擇薄膜電感；
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、穿戴式設備，尺寸可能是最關鍵的因素，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，貼片安裝的方向對電感值有一定影響，如下圖所示：



可以看出，標記點朝側面，感值變化較大，所以貼片時應注意讓電感上的標記點朝上。

另外，Layout時，應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。

結語：選型要清楚器件的原理和應用，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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