本文旨在用尽量通俗易懂的语言来讲清楚电感器的基础认知。在服用本教程后,你将会系统性的了解如下内容:
本教程主要用做公司内部知识管理与分享,由于笔者水平有限,如发现有不正确或者值得商榷之处,敬请指正。
很多人会将'电感'和'电感器'的概念混淆, 实际我们所说的Inductor称做‘电感器’更为贴切。
法拉第与电磁感应现象
常见电感器的外观
2. 电感器的分类
常见的分类方式有如下几种:
高频电感器,也叫射频电感器、RF电感器,主要是指用于射频电路或信号线路的电感器。高频电感器主要有如下特点:
Tips:不同品牌或不同系列的高频电感器即便是参数一致也不要做直接替换,一定要验证、验证、验证。
常见高频电感器的外观(来自Murata公司)
2. 功率电感器(Power Inductor)
功率电感器,也叫Power Inductor,主要是指用于电源电路的电感器。功率电感器主要有如下特点:
功率电感器又可以分为:
主要区别如下:
非屏蔽型电感器(Un-Shielded Power Inductor) | 屏蔽型电感器(Shielded Power Inductor) |
---|---|
无铁氧体屏蔽罩,磁场向周边空间发散,会对周边电路造成干扰 | 有铁氧体屏蔽罩,将磁场封在屏蔽罩内,以减小磁场对周边电路的干扰 |
同尺寸内阻比非屏蔽型高,额定电流低一些 | 电感属性得到进一步提升,同尺寸内阻更低,额定电流更高 |
电感量精度稍高,常见公差:±10%,±20% | 电感量精度稍低,常见公差:±20%,±30% |
饱和电流(Isat)大 | 饱和电流(Isat)小 |
Tips 1:不同品牌或不同系列的功率电感器参数接近的话可以做直接替换。
Tips 2:尽量选择屏蔽型电感器(Shielded Power Inductor),以降低对周边电路的干扰。
常见功率电感器的外观(来自Murata公司)
3. 磁珠(Ferrite Bead)
磁珠全称叫铁氧体磁珠,也是属于电感器的一种,在客户需求端的引导下特别调整材料和结构,使其展现出多种多样的阻抗频率特性。磁珠的主要特点:
常见功率电感器的外观(来自WE公司)
Tips:不同品牌或不同系列的铁氧体磁珠参数接近的话可以做直接替换。
绕线电感器的线圈是通过缠绕的方式绕在陶瓷或铁氧体芯体上,线圈一般是采用漆包铜线。
优点 | 缺点 |
---|---|
生产工艺简单 | 生产效率低 |
便于按客户要求定制 | 尺寸越小越难做 |
特性一般比同尺寸叠层产品强,特别是Q值 | 成本高 |
绕线电感器的外观(来自Murata公司)
2. 叠层电感器
叠层电感器的线圈是通过印刷的形式印刷在每一层上,叠层压合在一起,形成内部线圈。
优点 | 缺点 |
---|---|
生产效率高 | 生产工艺复杂 |
便于做出小尺寸 | 需要按公差100%筛选 |
可靠性高 | 特性一般比同尺寸绕线产品弱,特别是Q值 |
叠层电感器的外观(来自Murata公司)
3. 薄膜电感器
薄膜电感器的线圈是通过蚀刻的形式蚀刻在薄膜(Film)上,再将该线圈贴到陶瓷基座上固定。
优点 | 缺点 |
---|---|
生产效率高 | 生产工艺复杂 |
便于做出小尺寸 | 很高的技术门槛,国内公司还造不出 |
高精度(µm级别线圈) | 特性一般比同尺寸绕线产品弱,特别是Q值 |
薄膜电感器的外观(来自Murata公司)
4. 其它电感器
还有一些其它的电感器,如:
这些电感器也可以归类为‘绕线电感器’,故在此就不做赘述。
构成线圈的主要材料有:
构成芯体的主要材料有:
各材料的阻抗vs频率特性(来自WE公司)
屏蔽罩(Sleeve Cover)
屏蔽型电感器(Shielded Power Inductor)会含有屏蔽罩,其主要材质有:
电感器的品牌众多,在此列举一些常见的品牌,以及该品牌的优势。(注:仅代表作者本人的个人观点)
电感器类别 | 推荐品牌 | 推荐理由 |
---|---|---|
薄膜型RF电感器 | ①村田(Murata) | 村田是射频领域的标杆,市场上也容易购买,价格并不贵。 |
叠层型RF电感器 | ①村田(Murata) ②顺络(Sunlord) | 村田不用解释;顺络交期快是很好的替代品牌,以防村田缺货。 |
绕线型RF电感器 | ①村田(Murata) | 村田是射频领域的标杆,市场上也容易购买,更重要的是价格还很便宜-LQW系列。 |
NR型功率电感器 | ①顺络(Sunlord) | 国产NR型功率电感的标杆,价格便宜容易购买。为啥不推荐太阳诱电?- 很难买到。 |
组装型功率电感器 | ①东电化(TDK) ②靠谱的小厂 | 特别注重可靠性的领域选择TDK,其它消费领域可以找个靠谱的小厂,价格便宜交期又好。 |
一体成型功率电感器 | ①顺络(Sunlord) | 随着Vishay专利的过期,国内大厂顺络也开始量产了,性价比高好交货。 |
针对上述推荐品牌,罗列出一些优秀的代理商:
电感器品牌 | 代理商 | 推荐理由 | 官网 |
---|---|---|---|
村田(Murata) | 湘海(SANET) | 老牌代理,库存多、交货快、价格低,综合实力尚可 | http://www.sanet.net.cn/ |
东电化(TDK) | 威尔达(Welldone) | 老牌代理,库存多、交货快、价格低,综合实力尚可 | http://www.welldone-elec.com/ |
顺络(Sunlord) | 德方(Denovo) | 老牌代理,库存多、交货快、价格低,综合实力尚可 | https://www.denovocn.com/ |
湘海(SANET):
威尔达(Welldone):
德方(Denovo):
电感量通常以字母’L‘标记,以纪念物理学家海因里希·楞次(Heinrich Lenz)。电感的单位是亨利(Henry),标记为’H‘,以纪念科学家约瑟·亨利(Joseph Henry)。
电感量不是一个恒定值,它会随着电路里电压频率的变化而变化,严谨一点来讲,电感量L应该称作’在某一频率的电感量‘更为贴切。
SLF7045系列电感量vs频率曲线图(来自TDK公司)
常见电感器的测试频率:
电感器经过电路里电压的频率为0的时候,即通过直流(DC)的时候,不表现出任何电感属性(感抗),仅相当于一根把线圈拉直的导线。电感器的‘通直流、阻交流’作用指的就是这个意思。
电感量L与电感器物理参数的经验公式(功率电感适用,低频范围内较为稳定):
L=k*μ*n^2*S*frac{1}{l} /
Tips:如果是同一系列的电感器,由于材料和尺寸是一样的,对电感值起决定因素的就是线圈的匝数n,而且是平方比的关系。
电感量的单位是亨(H),其各衍生单位之间的换算关系如下:
1H=10^3mH=10^6μH=10^9nH /
即:H、mH、μH、nH之间的换算关系是10的三次方=1000倍的关系。
高频电感多以nH来标识,功率电感多以μH来标识。
高频电感:E24系列里选取
功率电感:E6系列里选取
E6、E12、E24系列数字(来自Denovo公司)
需要注意的是,E系列数字小数点可以移位,如:1.0,1.5,3.3,4.7,6.8照样属于E6系列。
即使原厂规格书里面存在的一些特殊电感量(脱离E系列数字的电感量),尽量谨慎选取,以免量产时拿不到货。
E12系列数字与公差(来自Wikipedia)
从上图可以看出,E12系列数字刚好可以把相邻两个数字控制在±10%公差范围内。
E6、E12、E24系列数字(来自Denovo公司)
该系列数字仅是以1~100之间的数字做定义,任意移动小数点的位置照样属于该系列数字。举例: 标准E6序列:10,15,22,33,47,68 小数点左移E6序列:1.0,1.5,3.3,4.7,6.8 小数点右移E6序列:100,150,220,330,470,680
电感器的直流电阻(DCR)就是线圈本身的电阻。
直流电阻单位是欧姆(Ω),其各衍生单位之间的换算关系如下:
1Ω=10^3mΩ /
直流电阻(DCR)的期望值是越小越好,然而需要根据尺寸做出相应的妥协(尺寸越小、线径越细、则DCR越大)
直流电阻(DCR)的存在会使电感器在使用时产生相应的损耗,这种损耗会以发热的形式耗散掉,简单的计算方式如下:
P_{loss}=I^2*DCR /
DCR是与电感器基于温升的额定电流Irms相关的参数,因为温度上升本身就是功率损耗(Power Loss)所造成的,DCR越大则Irms越小。
电感器的温升额定电流是衡量其额定电流的一种方案,以避免电感器本身温度过高而导致损坏。
电感器的温升额定电流一般标示为Irms,虽然’rms‘的本意并不是指温度上升。
Irms的常见单位是安培(A),其各衍生单位之间的换算关系如下:
1A=10^3mA /
既然Irms是衡量电感器的温度上升的额定电流,那么它会造成电感器温度上升多少呢?或是说电感器本身温度上升多少所对应的电流才是Irms电流呢?
大多数厂商是的定义标准:ΔT=40°C,即电感器温度上升40°C时所通过的电流。
也有少数厂商定义为其它温度值,具体请仔细阅读厂商提供的规格书。
VrmsVpk关系示意图-正弦波(来自Wikipedia)
饱和电流Isat – 单位:A,mA…
电感器的饱和电流是衡量其额定电流的另一种方案,以避免电感器本身电流过大而导致饱和,从而丧失了电感的能力。
给一个电感器通上电流,其电感量会随着电流的增加而下降,从而逐渐失去电感特性。
大多数厂商是的定义标准:Ldrop=30%,即电感器电感量下降30%时所通过的电流,如下图所示:
电感量vs电流曲线(来自Denovo公司)
也有一些厂商定义为其它的下降百分比,具体请仔细阅读厂商提供的规格书。
Tips:有些时候,规格书上写的饱和电流很大,实际上只是在定义上做了手脚哦,一定要仔细阅读规格书上的定义标准。
额定电流IR一般是取温升电流和饱和电流中的较小者,即:
I_{Rated}=Min(I_{rms},I_{sat}) /
前文讲到了电感量会随着电路中电压频率的变化而变化,如果我们不断增加频率,在达到某个频率后,电感器就会突然失去电感属性,即电感量突然大幅下降到0,这个频率点我们就称之为自谐频率(Self-Resonant Frequency),简称S.R.F.
这点也不难理解,想象一下不断增加频率的话,波形会无限接近直流,而电感器本身就是对直流没有电感属性的。
电感量vs频率 | 阻抗vs频率(来自Coilcraft公司)
电感器仅在其自谐振频率 (SRF) 范围内充当电感器。在 SRF 处,阻抗变得非常高,电感器可以用作扼流圈来衰减 SRF 附近的信号。
当电感器用做磁珠用途的时候,会在规格书上标注阻抗值Z。
磁珠也是电感器的一种,只是平时电感器不标注阻抗值Z,而磁珠标注阻抗值Z,二者物理结构上没有区别。某些情况下,电感器可以当做磁珠使用。
典型阻抗vs频率曲线(来自Coilcraft公司)
高频电感选型重点关注如下方面:
选型时尽量谨慎,调试完成后如果需要更换成另一个品牌,或同品牌另一个系列、型号,一定要重新测试验证,否则可能造成信号减弱或丢失。
推荐的品牌和系列:
品牌 | 系列 | 推荐理由 | 推荐指数 |
---|---|---|---|
村田(Murata) | LQP、LQG、LQW | 精度高、价格低、易购买 | ★★★★★ |
顺络(Sunlord) | SDCL、SDWL | 价格低、易购买 | ★★★★ |
Tips:需要高Q值的应用领域,可以尝试使用村田的LQW系列、顺络的SDWL系列高频绕线型电感。
功率电感选型重点关注如下方面:
选型时不需要太谨慎,一般情况下不同品牌之间只要焊盘相同或接近,即可替换。但是本着严谨的态度,更换品牌还是建议先进行验证。
推荐的品牌和系列:
镍锌铁氧体通用型
尺寸 | 品牌 | 系列 | 推荐理由 | 推荐指数 |
---|---|---|---|---|
2mm*2mm以内 | 东电化(TDK) | MLP | 大电流、价格低、易购买 | ★★★★ |
2mm*2mm以内 | 村田(Murata) | LQM | 大电流、价格低、易购买 | ★★★★ |
3mm*3mm | 顺络(Sunlord) | SWPA | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
4mm*4mm | 顺络(Sunlord) | SWPA | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
5mm*5mm | 顺络(Sunlord) | SWPA | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
6mm*6mm | 顺络(Sunlord) | SWPA | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
7mm*7mm | 顺络(Sunlord) | SWPA | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
8mm*8mm | 顺络(Sunlord) | SWPA | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
10mm*10mm | 速研(Accetek) | 1MF | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
12mm*12mm | 速研(Accetek) | 1MB | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
一体成型大电流型
尺寸 | 品牌 | 系列 | 推荐理由 | 推荐指数 |
---|---|---|---|---|
4mm*4mm | 顺络(Sunlord) | WPN | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
5mm*5mm | 速研(Accetek) | 1MT | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
6mm*6mm | 速研(Accetek) | 1MT | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
10mm*10mm | 速研(Accetek) | 1MT | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
12mm*12mm | 速研(Accetek) | 1MT | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
磁珠选型重点关注如下方面:
推荐的品牌和系列:
类别 | 品牌 | 系列 | 推荐理由 | 推荐指数 |
---|---|---|---|---|
普通用途 | 顺络(Sunlord) | GZ | 大电流、价格低、易购买 | ★★★★★ |
高频信号线 | 顺络(Sunlord) | HZ | 大电流、价格低、易购买 | ★★★★★ |
大电流电路 | 顺络(Sunlord) | PZ、UPZ | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
高频大电流电路 | 顺络(Sunlord) | HPZ | 品质好、价格低、易购买 | ★★★★★ |
开关模式电源(英语:Switch Mode Power Supply,SMPS)是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。
搭建一个12V to 5V DC-DC开关电源,需要哪些步骤呢?
占空比(英语:Duty Ratio,Duty Cycle),是频射、微波电路、低频交流和直流电流等多个领域的一个概念,表示在一个周期内,工作时间与总时间的比值。
占空比示意图(来自Wikipedia)
通过一定的时间比例(5:7)让开关进行开合,使12V直流波形转换成如下图所示波形(占空比:5/12):
12V直流转换后的波形,占空比:5/12
上图中的开关一般用MOS管替代,电源IC可以控制它的开和关:
MOS管替代开关
所利用到电感和电容的特性:
典型的开关电源拓扑图
最终使波形Ua转换成了Ub,近似5V直流。
当然凡事很难达到完美,从上图波形Ub中可以看出,最终是在5V上下一定范围内进行波动,这个范围叫纹波,如下图所示:
纹波示意图
只要将纹波控制得足够小,就可以满足正常的使用了。至此,一个12VDC转换5VDC的开关电源原理图搭建完毕。
IC有很多品牌,常见的品牌有这些:
电源芯片厂家
IC选型主要根据输出输入电压及开关频率等参数进行选型;本文以MPS的MP2315S为例,进行下面的电感器和电容器选型。
MP2315S参数
电感器的选型
在厂商官网查阅MP2315S的规格书,上面有详细的阐述如何计算所需的电感量和电流值:
根据MP2315S规格书计算得出电感量范围
根据MP2315S规格书计算得出电感量范围和需要的饱和电流,就可以进行电感的选型了。
还记得前文‘电感器的材料’章节所讲的内容吗,建议优先选用镍锌铁氧体材质的电感器,因为它的使用频率范围是最宽的。开关频率比较高的话,要特别注意这一点,以避免电感器看似参数选型正确,电路却无法正常工作。
1MF104-4R7NF电感器参数(来自Denovo公司)
Tips 1:近年来,一体成型电感正在兴起,但是笔者建议选择使用它时一定要结合自己的开关频率,如果频率过高尽量避免使用,因为它的材质所适用的频率范围比镍锌铁氧体要小很多。
Tips 2:一个电感器选型的小工具,输入目标参数即可查找:https://www.denovocn.com/power-inductor-selector
功率电感查找工具(来自Denovo公司)
电容器的选型
根据MP2315S规格书计算得出输入电容和输出电容的参数。
输入电容:
输出电容:
至此,12V to 5V DC-DC开关电源原理与元件选型已完成。
后续准备写《电容篇》,敬请期待。
由于笔者水平有限,如果大家发现了一些错误,敬请谅解和指正,可以私信发给我以便于我及时更新。
谢谢大家。
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